Эффективность солнечных элементов можно повысить, используя явление, известное как синглетное деление. Однако необъяснимые потери энергии во время реакции до сих пор были серьезной проблемой. Исследовательская группа под руководством ученых из Линчепингского университета в Швеции обнаружила, что происходит во время деления синглетов и куда уходит потерянная энергия. Результаты были опубликованы в журнале Cell Reports Physical Science.
Солнечная энергия является одним из наиболее важных экологически чистых и экологически чистых источников электроэнергии. Используемые в настоящее время солнечные элементы на основе кремния могут использовать не более 33% энергии солнечного света и преобразовывать ее в электричество. Это связано с тем, что световые пакеты или фотоны в солнечных лучах имеют энергию, которая либо слишком мала, чтобы быть поглощенной солнечным элементом, либо слишком велика, так что часть энергии рассеивается на отработанное тепло. Эта максимальная теоретическая эффективность известна как предел Шокли-Квиссера. На практике КПД современных солнечных батарей составляет 20-25%.
Однако явление в молекулярной фотофизике, известное как синглетное деление, позволяет использовать фотоны с более высокой энергией и преобразовывать их в электричество без потери тепла. В последние годы синглетное деление привлекает все большее внимание ученых, и ведутся интенсивные работы по разработке оптимального материала. Однако необъяснимые потери энергии при синглетном делении до сих пор затрудняли разработку такого материала. Исследователи не смогли прийти к единому мнению о происхождении этих потерь энергии.
Теперь исследователи из Университета Линчепинга вместе с коллегами из Кембриджа, Оксфорда, Доностии и Барселоны обнаружили, куда уходит энергия при делении синглетов.
Синглетное деление происходит менее чем за наносекунду, и это чрезвычайно затрудняет его измерение. Наше открытие позволяет нам открыть черный ящик и увидеть, куда уходит энергия во время реакции. Таким образом, мы в конечном итоге сможет оптимизировать материал для повышения эффективности солнечных элементов», - говорит Юттапум Путтисонг, старший преподаватель кафедры физики, химии и биологии Университета Линчёпинга.
Часть энергии исчезает в виде промежуточного яркого состояния, и это проблема, которую необходимо решить для достижения эффективного синглетного деления. Открытие того, куда уходит энергия, является важным шагом на пути к значительному повышению эффективности солнечных батарей - с нынешних 33% до более чем 40%.
Исследователи использовали усовершенствованный магнитооптический переходный метод для определения места потери энергии. Этот метод имеет уникальные преимущества в том, что он может исследовать «отпечатки пальцев» реакции синглетного деления в наносекундном масштабе. В работе использовали моноклинный кристалл полиена - дифенилгексатриена (ДФГ). Однако этот новый метод можно использовать для изучения синглетного деления в более широкой библиотеке материалов. Юцин Хуанг - бывший аспирант факультета физики, химии и биологии Университета Линчепинга и первый автор статьи, опубликованной в недавно созданном журнале Cell Reports Physical Science:
Настоящий процесс синглетного деления происходит в кристаллическом материале. Если мы сможем оптимизировать этот материал, чтобы сохранить как можно больше энергии синглетного деления, мы будем значительно ближе к практическому применению. Кроме того, материал синглетного деления можно обрабатывать раствором, что делает его дешевым в производстве и подходящим для интеграции с существующей технологией солнечных элементов», - говорит Юйцин Хуанг.
Исследование финансировалось в основном Шведским исследовательским советом и Фондом Кнута и Элис Валленберг.
Сноска: наносекунда - это миллиардная доля секунды.