Каждую секунду на Землю поступает колоссальное количество солнечной энергии. Если бы мы могли собирать ее эффективно, человечество навсегда забыло бы о дефиците электричества. Однако современные солнечные панели упираются в физический потолок, который десятилетиями сдерживал развитие отрасли.

На днях международной команде исследователей из Университета Кюсю (Япония) и Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга (Германия) удалось изящно обойти это ограничение. Они преодолели 100-процентный барьер квантового выхода, достигнув показателя в 130%. Как им удалось сломать привычные рамки и почему это меняет правила игры в солнечной энергетике?

Схема захвата умноженных экситонов

Ученые успешно захватывают умноженные экситоны с помощью молибденового эмиттера, открывая путь за пределы физических ограничений эффективности солнечных элементов. Источник:Percy Gonzalo Sifuentes-Samanamud / TechXplore

Предел Шокли — Квиссера и паразитный нагрев

Чтобы понять суть прорыва, нужно взглянуть на механизм работы стандартной солнечной батареи. Когда частицы света (фотоны) поглощаются полупроводником, они передают свою энергию электронам, переводя их в возбужденное состояние — так генерируются свободные носители заряда, создающие электрический ток.

Долгие годы КПД солнечных элементов жестко ограничивался пределом Шокли — Квиссера. В его основе лежит фундаментальное правило: один поглощенный фотон способен возбудить максимум один электрон.

Проблема в том, что солнечный спектр неоднороден. Инфракрасные фотоны несут слишком мало энергии и проходят сквозь панель впустую — они не способны возбудить электрон. А вот синие и ультрафиолетовые фотоны обладают избытком энергии. Но из-за правила «один к одному» этот избыток не превращается в дополнительные заряды. Он просто рассеивается в виде тепла, вызывая паразитный нагрев панели. В итоге стандартные кремниевые батареи способны преобразовать в электричество лишь около трети энергии падающего света.

«Технология мечты»: синглетное деление

Для обхода этого лимита физики обратились к квантовому процессу под названием синглетное деление (Singlet Fission).

Идея заключается в следующем: если высокоэнергетический фотон поглощается органическим материалом, он создает один мощный экситон (связанную пару из электрона и «дырки») в синглетном квантовом состоянии. При синглетном делении этот мощный экситон расщепляется на два экситона с меньшей энергией в триплетном состоянии.

Теоретически это позволяет одному фотону выполнять работу двух, поднимая потенциальный предел квантового выхода со 100% до 200%. Однако на практике поймать эту «умноженную» энергию оказалось невероятно сложно. Как только экситоны разделялись, в дело вступал конкурирующий физический процесс — фёрстеровский резонансный перенос энергии (FRET). Он буквально «крал» энергию до того, как ученые успевали ее извлечь.

Эмиттер со «спин-переворотом»

«Нам был необходим акцептор энергии, который мог бы избирательно захватывать умноженные триплетные экситоны сразу после деления, игнорируя процесс-вор», — объясняет доцент Йоити Сасаки из Университета Кюсю.

Решением команды стал металлокомплекс на основе молибдена, известный как эмиттер со «спин-переворотом».

Дело в том, что полученные после деления триплетные экситоны имеют специфические квантовые свойства (спины), из-за которых им «запрещено» легко отдавать энергию обычным материалам. Молибденовый комплекс решает эту задачу: принимая эту энергию, электрон в молекуле меняет направление своего спина. Это делает комплекс идеальной ловушкой именно для триплетных экситонов.

Объединив эмиттер со «спин-переворотом» с органическим материалом на основе тетрацена и тонко настроив энергетические уровни системы, физики смогли полностью подавить паразитный фёрстеровский перенос.

Результат: квантовый выход составил 130%. На каждые 10 поглощенных фотонов система успешно переводила в возбужденное состояние 13 молибденовых комплексов.

Случайность и перспективы

Интересно, что этот проект мог и не состояться. Исследование началось благодаря Адриану Зауэру, немецкому студенту по обмену. Приехав на стажировку в Японию, он обратил внимание исследователей на молибденовые комплексы, которые долгое время изучались в его родном Майнцском университете. Это объединило экспертизу двух научных школ и привело к прорыву.

Пока технология находится на стадии лабораторного доказательства концепции (proof-of-concept) — эксперименты проводились в жидком растворе. Следующая амбициозная цель ученых — перенести этот квантовый механизм в твердотельное исполнение.

Если молекулярные «умножители» удастся интегрировать в твердые материалы, это откроет путь к созданию солнечных панелей нового поколения. Они будут меньше нагреваться и генерировать значительно больше электричества из того же потока света. Кроме того, технология эмиттеров со «спин-переворотом» может найти применение в производстве сверхъярких OLED-дисплеев и в разработке квантовых устройств будущего.