Намітився фундаментальний прорив у подвоєнні ефективності сонячної енергетики

Хіміки з Університету Каліфорнії Ріверсайд (University of California Riverside, UCR) розробили спосіб підвищення ефективності сонячних елементів на цілих 30% (в абсолютному вимірі). При нинішніх фотогальванічних елементах, що не можуть перевершити 33% через обмеження Шоклі-Квейсера (Shockley–Queisser limit), підйом на 30%, а загальної ефективності до 60% і більше, був б абсолютно величезним.

І це саме те, чого потребує сонячна енергетика, якщо вона коли-небудь сподівається стати економічно ефективною альтернативою виробленню електроенергії з викопного палива. Але найдивовижніше у цьому новому методі підвищення ефективності сонячних батарей то це його унікальна назва: синглетне розщеплення.

В даний час всі фотоелектричні сонячні елементи працюють в основному однаково. Є певна "вафельна" конструкція з напівпровідникового матеріалу (зазвичай кремнію), затиснутого між двома електродами. Коли світло (фотони) потрапляє в напівпровідник, воно створює екситон - по суті - вільний електрон (тобто носій електричного струму). В даний час межа Шоклі-Квейсера означає, що одиночний фотон може створити тільки синглетний (одиночний) екситон, з деякою додатковою енергією, що згодом розсіюється у вигляді тепла. Не вдаючись у фізику цього явища, в результаті це призводить до максимальної енергоефективності тільки 33%. Тобто, теоретично максимум 33% енергії світла може бути перетворене в енергію електрики.

Тепер, однак, чотири хіміки з UCR знайшли спосіб перетворення одного фотона у два екситони, за допомогою процесу, відомого як синглетне розщеплення. Як випливає з назви, синглетне розщеплення є процес, при якому один екситон розпадається на два триплетних екситони. (Не впевнений, чому вони називаються триплетними, тому що їх лише два. Сперечатися ж з чотирма парубками - то марна справа.)

Дослідники ще й досі не розуміють точного механізму синглетного розщеплення, але це, як здається, відбувається більш легко в напівпровідниках з кількома, розташованими на відстані одна від одної, забороненими зонами.

При подвоєнні виходу екситонів в сонячному елементі, ви теоретично подвоюєте кількість утворених електронів. В результаті, замість максимальної теоретичнї ефективності 33%, ви отримуєте 60% або більше. [DOI: 10.1021/jz500676c - "Singlet Fission: From Coherences to Kinetics"]

Зрозуміло, що на практиці, однак, все не так просто. Як відмічено в їх дослідницькій статті, все, що вони зробили, то це підтвердили, що синглетне розщеплення відбувається і що необхідно здійснити ще більше досліджень. Зокрема: "[...] Детальна структура і динаміка електронних станів, що беруть участь в початковій стадії синглетного розщеплення залишаються активними галузями дослідження. У довгостроковій перспективі важливим завданням для виготовлення пристрою, заснованому на цьому явищі, буде знаходження ефективних способів збору триплетних екситонів."

Одним з найважливіших факторів буде те, чи синглетне розщеплення може бути використане в стандартних неорганічних сонячних елементах (з кремнію), або ж воно буде обмежене органічними фотоелементами. Багато робіт зараз виконується в напрямку органічних елементів, але ця технологія менш зріла (і в даний час набагато менш ефективна), ніж її неорганічна родичка.

Якщо межа Шоклі-Квейсера буде подолана за допомогою синглетного розщеплення, то хіміки з UCR напевно опиняться в якомусь величному починанні. Лишень сонячні елементи піднімуться у своїй ефективності до 50% та вище, економіка сонячної енергетики стане набагато прийнятнішою - стартуючи з ціни, що в два рази вища за ціну енергії, що виробляється з вугілля або природного газу, до приблизно однакової ціни. І дійсно, коли буде йтися про прийняття світом альтернативних джерел енергії, гроші вирішуватимуть все.

Джерело:

• extremetech.com