Ученые преодолели 100% предел эффективности солнечных элементов с помощью «невозможного» прорыва в 130%

Исследователи из Университета Кюсю (Япония) и Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (Германия) разработали метод, позволивший преодолеть фундаментальный физический предел эффективности солнечных элементов, достигнув показателя около 130%. Работа опубликована 25 марта в Journal of the American Chemical Society.

Традиционные солнечные панели могут преобразовать в электричество лишь около трети энергии падающего солнечного света из-за так называемого предела Шокли — Квайссера. Высокоэнергетические фотоны (например, синий свет) теряют излишек энергии в виде тепла, а низкоэнергетические (инфракрасные) не могут «запустить» электроны.

Команда использовала явление синглетного деления (SF), которое часто называют «технологией мечты» для повышения эффективности преобразования света. При SF один высокоэнергетический фотон генерирует не один, а два возбужденных состояния (экситона). Однако до сих пор основная проблема заключалась в эффективном сборе этой умноженной энергии, которая часто терялась из-за резонансного переноса энергии Фёрстера (FRET).

Для решения этой проблемы ученые применили металлокомплекс на основе молибдена, выступающий в роли «спин-флип» эмиттера. Этот комплекс способен селективно захватывать низкоэнергетические триплетные экситоны, образовавшиеся после синглетного деления в материале на основе тетрацена, и преобразовывать их в полезную энергию.

«Нам нужен был акцептор энергии, который избирательно захватывает умноженные триплетные экситоны после деления», — пояснил доцент Йоити Сасаки из Университета Кюсю.

В экспериментах в растворе система показала квантовый выход около 130%, что означает генерацию примерно 1,3 активированных комплексов на один поглощенный фотон. Это доказывает, что производится больше носителей энергии, чем поступает фотонов.

Пока это доказательство концепции на молекулярном уровне. Следующим шагом станет интеграция материалов в твердотельные системы для создания практичных солнечных элементов нового поколения. Технология также может найти применение в светодиодах и квантовых технологиях.