Учени разработиха нов тип слънчева клетка, която постига квантова ефективност от около 130%, значително над традиционните ограничения. Макар засега да е на експериментален етап, разработката може да повиши ефективността на бъдещите соларни панели до 35-45%.
Новата технология използва процес, при който един високоенергиен фотон генерира два електрона чрез т.нар. синглетно разделяне. Това позволява по-добро използване на светлинния спектър, особено на синята му част, която обикновено се губи.
Дори в научната фантастика ефективността на енергийните източници не може да надвишава 100% – това е физиката на нашата вселена. Загуби винаги съществуват. Целта на учените е да намалят тези загуби, което става все по-трудно с приближаването към теоретичната граница на всяка технология.
За класическа слънчева клетка с p-n преход границата на ефективност е 33%. Но физиката на слънчевата светлина е по-сложна. Японски учени са намерили начин да отидат далеч отвъд тази теоретична граница. Те разработиха слънчев панел с безпрецедентна ефективност – квантова ефективност от 130%.
Идеята е развита от изследователи на университета Кюшу в сътрудничество с учени от университета Йоханес Гутенберг в Германия.
В класическа слънчева клетка един абсорбиран фотон създава един екситон (електрон и дупка) в полупроводника. Фотонът е един квант светлина (най-малката възможна единица енергия на електромагнитно излъчване с дадена дължина на вълната). Той не може да създаде повече от един електрон. Тази енергия се абсорбира от електрона и го привежда във възбудено състояние, изпращайки го да пътува през материала като ток.
Електроните обаче реагират само на светлина (фотони) с определена дължина на вълната. Те не абсорбират енергийни кванти в долния и горния диапазон на излъчване. Такива материали просто не съществуват в природата или учените все още не са се научили как да ги създават.
В същото време тези „изключителни“ фотони попадат в слънчевия панел, но не създават електронен поток в него; те просто се разсейват във вид на топлина. Това е „резерв“, който учените успяха да използват за производство на електроенергия. По-конкретно, те успяха ефективно да използват високоенергийни фотони от синята част на спектъра.
Механизмът на действие на технологията се основава на два ключови процеса. Високоенергийните (сини) фотони в материала претърпяват синглетно разделяне: един екситон се разделя на два с по-ниска енергия и всеки от тези два екситона се улавя от „молибденов комплекс“, интегриран в слънчевата клетка, комбиниран със специфичен материал.
По този начин вместо един електрон, „синият“ фотон ефективно възбужда два електрона в материала, за да генерира ток.
Комбинацията от материали също така потиска така наречения енергиен трансфер на Фьорстер, който обикновено би блокирал възбуждането на определен брой електрони и би намалил ефективността.
Експериментите показват впечатляващи резултати, а именно квантов добив от приблизително 130% (1,3 екситона на фотон).
Изследователите смятат, че тази технология може да увеличи теоретичната ефективност на еднопреходните слънчеви клетки до 35–45%, значително надвишавайки границата на Шокли-Квайсер (33%) за традиционните силициеви панели и действителната ефективност на търговските модули (20–25%).
Въпреки че това постижение все още е тип „доказателство на концепцията“ и е реализирано само на молекулярно ниво, то полага основите за пробив в производството на слънчева енергия.
