Naukowcy osiągnęli 130% wydajności kwantowej w eksperymencie związanym z ogniwami słonecznymi. Nie oznacza to jednak, że panel produkuje więcej energii, niż otrzymuje ze Słońca. Chodzi o coś subtelniejszego, ale bardzo ważnego: lepsze wykorzystanie energii pojedynczego fotonu, zanim zostanie utracona jako ciepło.
130% wydajności kwantowej ogniw słonecznych — co to naprawdę znaczy?
Na pierwszy rzut oka brzmi to jak złamanie praw fizyki. 130% wydajności? Czyli panel słoneczny miałby zamieniać światło w prąd skuteczniej, niż pozwala na to sama energia promieniowania?
Nie. I właśnie tu trzeba postawić sprawę jasno.
W tym badaniu nie chodzi o gotowy panel fotowoltaiczny, który zamienia 130% światła słonecznego w energię elektryczną. Chodzi o wydajność kwantową, czyli o to, ile użytecznych wzbudzeń energetycznych można uzyskać z jednego pochłoniętego fotonu. Naukowcom udało się osiągnąć wynik odpowiadający około 1,3 wzbudzonego kompleksu molibdenowego na jeden pochłonięty foton. To właśnie ten wynik opisano jako 130% wydajności kwantowej.
To nadal eksperyment laboratoryjny, ale bardzo ciekawy. Pokazuje bowiem sposób na ograniczenie jednej z największych strat w fotowoltaice: ucieczki nadmiarowej energii w postaci ciepła.
Dlaczego zwykłe panele słoneczne tracą część energii?
Klasyczne ogniwa słoneczne mają swoje fizyczne ograniczenia. Gdy foton światła trafia w materiał półprzewodnikowy, może przekazać energię elektronowi i wywołać przepływ prądu. Problem w tym, że fotony mają różne energie.
Część światła ma zbyt mało energii, by skutecznie zasilić proces. Inna część ma energii więcej, niż potrzeba. Ten nadmiar często nie zostaje wykorzystany, lecz zamienia się w ciepło.
To jeden z powodów, dla których sprawność tradycyjnych ogniw krzemowych nie może rosnąć w nieskończoność. W fizyce fotowoltaiki znane jest ograniczenie nazywane limitem Shockleya-Queissera, które dla pojedynczego złącza wyznacza teoretyczną granicę sprawności w okolicach jednej trzeciej dostępnej energii słonecznej.
Nowe badanie nie usuwa wszystkich problemów naraz. Pokazuje jednak metodę, która może pomóc odzyskać część energii zwykle traconej jako ciepło.
Rozszczepienie singletu, czyli jeden foton i dwa wzbudzenia
Sercem tego eksperymentu jest zjawisko zwane rozszczepieniem singletu. Brzmi technicznie, ale sama idea jest dość prosta.
W klasycznym scenariuszu jeden pochłonięty foton prowadzi do powstania jednego wzbudzenia energetycznego. W rozszczepieniu singletu energia z jednego fotonu może zostać podzielona na dwa niższe stany wzbudzone, nazywane ekscytonami.
Innymi słowy: zamiast pozwolić, by nadmiar energii przepadł w postaci ciepła, system próbuje rozbić ją na dwie użyteczne porcje.
W badaniu wykorzystano tetracen, organiczną cząsteczkę dobrze znaną naukowcom zajmującym się rozszczepieniem singletu. Tetracen potrafi przyjąć energię i pomóc w podziale jednego wysokoenergetycznego wzbudzenia na dwa niżej energetyczne.
Samo rozszczepienie singletu nie jest jednak nowym pomysłem. Największy problem polegał dotąd na czymś innym: jak zatrzymać i wykorzystać powstałe wzbudzenia, zanim energia zdąży uciec inną drogą.
Molibden jako brakujący element układanki
Tu pojawia się molibden. Naukowcy połączyli materiał oparty na tetracenie z kompleksem molibdenowym, który działa jak tak zwany emiter spin-flip. Jego rola polega na wychwytywaniu powstałych po rozszczepieniu ekscytonów i zamianie ich energii w formę możliwą do dalszego wykorzystania.
To ważne, bo w podobnych układach energia może zostać „skradziona” przez inne mechanizmy transferu, zanim dojdzie do pożądanego namnożenia wzbudzeń. Jednym z takich procesów jest rezonansowy transfer energii Förstera, znany jako FRET. Badacze potrzebowali więc takiego akceptora energii, który będzie umiał selektywnie przechwycić właściwe stany po rozszczepieniu singletu.
Właśnie dlatego wynik jest tak interesujący. Nie chodzi tylko o samo rozdzielenie energii. Chodzi o jej skuteczne przechwycenie.
To nie jest jeszcze panel słoneczny przyszłości
Najważniejsze zastrzeżenie brzmi: to nadal nie jest gotowa technologia do montażu na dachu.
Eksperyment przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych, w roztworze. Aby taka metoda mogła realnie trafić do fotowoltaiki, trzeba byłoby przenieść ją do stabilnego materiału stałego, który da się połączyć z działającym ogniwem słonecznym. To zupełnie inny poziom trudności.
Materiał musiałby być trwały, wydajny, odporny na warunki pracy i możliwy do produkcji w większej skali. Trzeba też rozwiązać problem utrzymania oraz odbioru energii przez wystarczająco długi czas, aby dało się ją praktycznie wykorzystać. Sami badacze wskazują, że przeniesienie tej chemii do układów stałych będzie jednym z kolejnych wyzwań.
Dlatego nie należy tego odkrycia przedstawiać jako rewolucji, która za chwilę zmieni wszystkie panele na świecie. To raczej ważny krok w badaniach podstawowych nad tym, jak lepiej zarządzać energią światła.
Dlaczego ten przełom może mieć duże znaczenie?
Fotowoltaika już dziś jest jedną z najważniejszych technologii energetycznych. Problem polega na tym, że nawet bardzo dobre panele wykorzystują tylko część energii docierającej ze Słońca. Jeśli naukowcy znajdą sposób, by odzyskać więcej energii z tych samych fotonów, skutki mogą być ogromne.
Wyższa sprawność oznaczałaby więcej prądu z tej samej powierzchni paneli. To ważne nie tylko dla domowych instalacji, ale też dla farm fotowoltaicznych, budynków, urządzeń mobilnych, satelitów i wszędzie tam, gdzie liczy się każdy metr powierzchni.
Badanie z udziałem naukowców z Kyushu University i współpracowników z Niemiec zostało opisane jako krok w stronę materiałów, które wzmacniają liczbę ekscytonów lub fotonów dzięki połączeniu rozszczepienia singletu z kompleksami metali przejściowych. Wyniki opublikowano w „Journal of the American Chemical Society”.
To nie jest jeszcze gotowe rozwiązanie dla energetyki. Ale jest to bardzo wyraźny sygnał, że klasyczne ograniczenia fotowoltaiki można próbować obchodzić nie tylko przez budowę nowych typów paneli, lecz także przez sprytniejsze wykorzystanie energii na poziomie kwantowym.
Fotowoltaika potrzebuje takich kroków
Najciekawsze w tym badaniu jest to, że pokazuje ono inną drogę myślenia o ogniwach słonecznych. Nie tylko: „zbudujmy większy panel”. Nie tylko: „ulepszmy znany materiał”. Ale: „sprawdźmy, czy da się odzyskać energię, która zwykle przepada”.
Wynik 130% wydajności kwantowej nie oznacza magicznego panelu o sprawności 130%. Oznacza jednak, że pojedynczy foton może zostać wykorzystany sprytniej, niż pozwalały na to prostsze mechanizmy. A w świecie energetyki słonecznej takie drobne zmiany na poziomie cząsteczek mogą z czasem prowadzić do dużych zmian w skali całej technologii.
Na razie to obiecujący dowód koncepcji. Jeśli uda się przenieść go z roztworu laboratoryjnego do stabilnych materiałów stałych, fotowoltaika może dostać narzędzie, które pozwoli jej wyjść poza część obecnych ograniczeń.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Journal of the American Chemical Society .