Выработка большего количества электроэнергии из солнечных батарей и проведение дальнейших исследований так называемого синглетного деления. Это то, над чем в настоящее время работают ученые из Университета Фридриха-Александра Эрлангена-Нюрнберга (FAU) в рамках совместного исследовательского проекта, проводимого в сотрудничестве с Аргоннско-Северо-Западным центром исследований солнечной энергии (ANSER) Северо-Западного университета в Эванстоне, США. Расщепление синглетов может значительно повысить эффективность солнечных элементов - и благодаря последним исследованиям оно стало на один шаг ближе к тому, чтобы стать возможным. Результаты были опубликованы в научном журнале Chem..
Глобальное потребление энергии резко возросло, и эта тенденция к росту сохранится в ближайшие годы. В стремлении удовлетворить спрос и защитить окружающую среду все большее значение приобретает электроэнергия из возобновляемых источников энергии: солнца, ветра, воды и биомассы. Тем не менее, только примерно шесть процентов валовой электроэнергии, произведенной в Германии в 2017 году, приходилось на фотоэлектрические системы, а имеющиеся у нас в настоящее время технологии, основанные на кремнии, быстро достигают своего предела с точки зрения потенциала.
Выработка большего количества электроэнергии из солнечных батарей
Солнечные элементы крайне неэффективны в преобразовании солнечной энергии в электричество. Их эффективность в настоящее время составляет всего 20-25 процентов. Требуются новые подходы для значительного повышения производительности солнечных элементов и выработки большего количества электроэнергии. Ответ можно найти в физико-химических процессах, которые значительно повышают эффективность солнечных элементов. Ученые из FAU и Центра ANSER изучают многообещающий подход в рамках своего совместного исследовательского проекта в рамках Инициативы Emerging Fields Initiative (EFI) «Синглетное деление в новых органических материалах - подход к высокоэффективным солнечным элементам». Исследователи исследовали механизм так называемого синглетного деления (SF), при котором один фотон возбуждает два электрона.
Получение лучшего понимания синглетного деления
Принцип синглетного деления был открыт примерно пятьдесят лет назад, но его потенциал для значительного повышения эффективности органических солнечных элементов был признан учеными в США чуть меньше десяти лет назад. С тех пор исследователи по всему миру работают над более детальным пониманием фундаментальных процессов и сложных механизмов, стоящих за ними. Вместе с профессором Михаилом Василевским из центра ANSER исследователи из FAU - проф.д-р Дирк Гульди с кафедры физической химии I, проф. Рик Тыквински с кафедры органической химии I (с тех пор, как он перешел в Университет Альберты, Канада), проф. д-р Майкл Тосс с кафедры теоретической физики твердого тела (с тех пор переехал во Фрайбургский университет им. Альберта-Людвига) и профессору доктору Тиму Кларку из Центра компьютерной химии (CCC) удалось прояснить некоторые чрезвычайно важные аспекты научной фантастики.
Подробная информация о процессе
Когда фотон солнечного света встречается с молекулой и поглощается ею, уровень энергии одного из электронов в молекуле увеличивается. Таким образом, поглощая фотон, органическая молекула переходит в состояние с более высокой энергией. Затем электричество может генерироваться в солнечных элементах из этой энергии, которая временно хранится в молекуле. Оптимальный сценарий в обычных солнечных элементах заключается в том, что каждый фотон генерирует один электрон в качестве переносчика электричества. Если же используются димеры из выбранных химических соединений, то два электрона от соседних молекул могут быть переведены в состояние с более высокой энергией. Всего один фотон порождает два возбужденных электрона, которые, в свою очередь, могут использоваться для производства электрического тока - из одного получается два. Этот процесс известен как SF и в идеальном сценарии может значительно повысить производительность солнечных элементов. Химики и физики из FAU и Центра ANSER более подробно изучили основной механизм, что привело к значительно более глубокому пониманию процесса SF.
Три важных вывода
В качестве первого шага в своих исследованиях ученые создали молекулярный димер из двух звеньев пентацена. Этот углеводород считается перспективным кандидатом для использования синглетного деления в солнечных элементах. Затем они подвергли жидкость воздействию света и использовали различные спектроскопические методы для исследования фотофизических процессов внутри молекулы.
Это дало исследователям три далеко идущих представления о механизме внутримолекулярного деления синглетов. Во-первых, им удалось доказать, что связь с более высоким состоянием переноса заряда необходима для высокоэффективного SF. Во-вторых, они проверили недавно созданную и опубликованную модель синглетного деления (doi:10.1038/ncomms15171). В-третьих (и, наконец), они доказали, что эффективность SF явно коррелирует с тем, насколько сильно связаны две субъединицы пентацена.
Выводы исследователей указывают на важность тщательного планирования дизайна материалов SF. Это важная веха на пути к использованию фотоэлектрических систем на основе SF для производства электроэнергии. Однако необходимы дальнейшие фундаментальные исследования.