Vědci překonali fyzikální limit solárních článků: Dosáhli 130% kvantového výtěžku a slibují revoluci

Mezinárodní tým vědců z japonské univerzity Kjúšú a německé Univerzity Johannese Gutenberga v Mohuči oficiálně překonal dlouholetý fyzikální limit v přeměně sluneční energie. Díky revolučnímu „spin-flip“ emitoru dosáhli kvantového výtěžku 130 %, což dokazuje, že solární systém může generovat více energetických nosičů, než kolik fotonů absorbuje.

Desítky let byla solární technologie omezena takzvaným Shockleyho–Queisserovým limitem. U tradičních solárních článků probíhá proces jako štafetový závod: jeden foton dopadne na polovodič a excituje přesně jeden elektron. Jakákoli přebytečná energie z vysokoenergetických fotonů (například modrého světla) se obvykle ztrácí jako odpadní teplo. Nová metoda využívá takzvané singletové štěpení (Singlet Fission – SF), často označované jako „technologie snů“, k obejití tohoto omezení. Při SF se jeden vysokoenergetický „singletový“ exciton rozdělí na dva nízkoenergetické „tripletové“ excitony. Teoreticky to umožňuje, aby jeden foton vykonal práci dvou.

Zatímco koncept singletového štěpení není nový, zachycení těchto „znásobených“ excitonů se ukázalo jako téměř nemožné. Obvykle proces zvaný Försterův rezonanční přenos energie (FRET) „ukradne“ energii dříve, než ji lze sklidit. K vyřešení tohoto problému vyvinul výzkumný tým specializovaný kovový komplex na bázi molybdenu. Tento „spin-flip“ emitor je navržen tak, aby ignoroval plýtvavý proces FRET prostřednictvím selektivního sběru. Převrácením spinu elektronu během absorpce světla dosahuje komplex spinového zarovnání, aby se stal dokonalým „lapačem“ tripletové energie produkované štěpením.

Spárováním tohoto komplexu s materiály na bázi tetracenu dosáhl tým 130% kvantového výtěžku, což znamená, že z každého absorbovaného fotonu bylo excitováno přibližně 1,3 molybdenových komplexů. „Potřebovali jsme tedy akceptor energie, který selektivně zachytí znásobené tripletové excitony po štěpení,“ vysvětlil docent Yoichi Sasaki z univerzity Kjúšú. Pečlivým vyladěním energetických hladin vědci potlačili proces FRET, což umožnilo selektivní extrakci znásobených excitonů z SF. Zatímco tradiční solární články trpí vysokými tepelnými ztrátami a spoléhají na standardní polovodiče, tato inovace udržuje nízké tepelné ztráty díky použití specializovaných „spin-flip“ emitorů na bázi molybdenu.

Výzkumníci nyní směřují k přechodu této technologie do pevného skupenství. Cílem je integrovat tyto molekulární „násobiče“ do funkčních solárních článků, LED diod a dokonce i do kvantových počítačů nové generace. Pokud bude úspěšná, mohla by tato technologie vést k ultraúčinným panelům, které produkují výrazně více elektřiny ze stejného množství slunečního světla, což by drasticky urychlilo globální přechod od fosilních paliv k obnovitelným zdrojům energie.