Mokslininkai nuolat ieško būdų, kaip padidinti saulės elementų efektyvumą – tai yra, kiek saulės šviesos paverčiama elektra. Naujas metodas leido pasiekti stulbinantį 130 proc. vadinamąjį kvantinį derlių.

Svarbu pabrėžti, kad šis rodiklis nereiškia, jog saulės panelė šviesą į elektrą paverčia 130 proc. efektyvumu. Kalbama apie kvantinio lygmens energijos grąžą: tai parodo, kaip dažnai tam tikras įvykis sistemoje įvyksta, kai sugeriamas vienas fotonas.

Peržengti 100 proc. ribą pavyko todėl, kad iš vieno į sistemą patekusio šviesos fotono sukaupta energija padalijama į dvi dalis. Taip galima sužadinti dvi sužadintas būsenas – vadinamuosius eksitonus – priimančiojoje medžiagoje.

Šis procesas vadinamas singletiniu skilimu (angl. singlet fission). Tarptautinė tyrėjų komanda aiškina, kad būtent taip sumažinami energijos nuostoliai, kai energijos perteklius įprastai virsta šiluma.

Tokie nuostoliai yra viena priežasčių, kodėl įprastų saulės elementų bendras efektyvumas dažnai „užstringa“ ties maždaug 33 proc. riba. Šis apribojimas žinomas kaip Šoklio–Kvaiserio (Shockley–Queisser) riba.

„Turime dvi pagrindines strategijas, kaip peržengti šią ribą. Viena – paversti mažesnės energijos infraraudonuosius fotonus į didesnės energijos regimosios šviesos fotonus.

Kita, kurią tiriame čia, – pasitelkti singletinį skilimą, kad iš vieno fotono būtų sukurti du eksitonai“, – teigia chemikas Yoichi Sasaki iš „Kyushu University“ Japonijoje.

Tyrėjai kaip skaidančiąją medžiagą pasirinko organinę molekulę tetraceną. Jos savybės leidžia vieną didesnės energijos „paketą“ per elektronų sužadinimą paversti dviem mažesnės energijos paketais.

Vis dėlto singletinis skilimas nėra visiškai nauja idėja – tai tik dalis šio proveržio. Ankstesniuose eksperimentuose viena didžiausių problemų buvo suteikti singletiniam skilimui pakankamai laiko įvykti, kol energija dar neprarasta arba neperduota kitur.

Čia svarbų vaidmenį atliko metalinis elementas molibdenas, pasirinktas dėl specifinių savybių. Sumaišius molibdeną su tetracenu, komandai pavyko „pagauti“ suskilusius eksitonus molibdeno junginyje.

Kvantiniame lygmenyje molibdenas veikia kaip vadinamasis sukinio apvertimo (spin-flip) spinduolis: pirmiausia jis „užrakina“ energiją, o vėliau kvantiniu sukinio apvertimu nematomą būseną paverčia šviesa. Tai ir davė esminį rezultatą – 1,3 molibdeno pagrindu sukurtų metalinių kompleksų sužadinimo atvejo vienam sugertam fotonui.

„Energiją dar iki padauginimo gali lengvai „pavogti“ mechanizmas, vadinamas Försterio rezonansiniu energijos perdavimu (FRET). Todėl mums reikėjo energijos akceptoriaus, kuris selektyviai sugauna po skilimo padaugintus tripletinius eksitonus“, – aiškina Y. Sasaki.

Tyrėjai pabrėžia, kad tai ankstyvieji laboratoriniai bandymai. Kitas etapas – skystą tirpalą paversti kieta forma, kurią būtų galima patikimai ir efektyviai integruoti į saulės panelę, tačiau patys autoriai pripažįsta, kad tai bus sudėtinga.

Be to, išlieka klausimas, ar molibdeno kompleksai išlaikys energiją pakankamai ilgai, kad ją būtų galima praktiškai panaudoti, taip pat – kaip efektyviai tą energiją iš pradžių „sugaudyti“. Šį „irimo procesą“ tyrimas taip pat aptaria.

Nors praktinio pritaikymo iššūkių dar daug, pats darbas rodo aiškią kryptį: kaip ateityje saulės panelės galėtų viršyti šiandien galiojančias efektyvumo ribas. Šį įrodymą-konceptą galima toliau koreguoti ir išbandyti įvairiais būdais.

Saulės energijai tampant vienu svarbiausių įrankių mažinant priklausomybę nuo iškastinio kuro ir lėtinant klimato kaitą, žymiai didesni konversijos rodikliai galėtų iš esmės pakeisti energetikos sektorių – ypač kartu su pažangesniais energijos kaupimo sprendimais.

„Šis darbas yra reikšmingas žingsnis kuriant eksitonų ir fotonų stiprinimo medžiagas, derinant singletinio skilimo medžiagas su pereinamųjų metalų kompleksais, ir taip išplečiant singletinio skilimo taikymą už įprastų apribojimų ribų“, – rašo tyrėjai.

Tyrimo rezultatai publikuoti leidinyje „Journal of the American Chemical Society“.