Күн батареяларының тиімділігін арттырудың жаңа тәсілі

Ғалымдар күн сәулесін энергияға айналдыру тиімділігін 100%-дан жоғары деңгейге жеткізуге мүмкіндік беретін әдіс ойлап тапты. Бұл үшін күн сәулесінен алынатын энергия мөлшерін көбейте алатын жаңа молекулалық жүйе қолданылды. Бұл әдіс келешектегі күн технологияларын дамытуға негіз бола алады.

Дәстүрлі күн батареяларының шектеулері

Күн энергиясы қазба отынын тұтынуды азайту мен климаттың өзгеруіне қарсы күресте маңызды құрал болып саналады. Күн Жерге орасан зор энергия ағынын үздіксіз жеткізгенімен, қазіргі күн батареялары осы ағынның тек аз ғана бөлігін пайдалана алады. Бұл ұзақ уақыт бойы еңсерілмеген физикалық шектеумен байланысты.

Зерттеу және жаңа механизм

2024 жылдың 25 наурызында Journal of the American Chemical Society журналында жарияланған зерттеуде Жапониядағы Кюсю университетінің және Германиядағы Майнц қаласындағы Иоганн Гутенберг университетінің ғалымдары осы шектеуді еңсерудің жолын ұсынды. Олар SF (синглетті бөліну) кезінде пайда болатын қосымша энергияны ұстап қалу үшін "спин-флип" эмиттер деп аталатын молибденді металлокомплексті пайдаланды. Бұл процесс бұрын мүмкін емес деп саналған жарық түрлендіру тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді.

Осы технологияның арқасында энергия түрлендіру коэффициенті шамамен 130%-ға жетті, бұл дәстүрлі 100% шектен асып, күн батареяларының дамуына жаңа жол ашады.

Күн батареяларының жұмыс принципі және энергия шығындары

Күн батареялары күн сәулесінің фотондары жартылай өткізгішке түскенде және электрондарға энергия бергенде электр тогын өндіреді. Алайда барлық фотондар бірдей пайдалы емес: төмен энергиялы (инфрақызыл) фотондар электрондарды қоздыра алмайды, ал жоғары энергиялы (мысалы, көк жарық) фотондар артық энергиясын жылу түрінде жоғалтады. Нәтижесінде күн батареялары күн сәулесінің тек үштен бірін ғана пайдаланады. Бұл шектеу Шокли-Квайссер шегі деп аталады.

Синглетті бөліну арқылы энергияны арттыру

Бұл шекті еңсерудің екі негізгі стратегиясы бар: төмен энергиялы инфрақызыл фотондарды жоғары энергиялы көрінетін фотондарға түрлендіру және бір фотоннан екі экситон генерациялау үшін синглетті бөлінуді пайдалану. Әдетте әр фотон тек бір спин-синглетті экситон тудырады, бірақ SF кезінде бұл экситон екі төмен энергиялы спин-триплетті экситонға бөлінуі мүмкін, бұл қолжетімді энергияны екі еселеуге мүмкіндік береді. Кейбір материалдар, мысалы, тетрацен, бұл процесті қолдайды, бірақ мұндай экситондарды тиімді ұстап қалу қиын болды.

FRET-тен болатын энергия шығындарын еңсеру

Энергияның бір бөлігі экситондар көбейтілмей тұрып Фёрстердің резонансты энергия тасымалдау (FRET) механизмі арқылы жоғалуы мүмкін. Бұл мәселені шешу үшін молибденді "спин-флип" эмиттер қолданылды, ол бөлінген триплетті экситондарды селективті түрде ұстап қалуға мүмкіндік береді. Бұл жүйеде электрон жақын инфрақызыл жарықты жұтқанда немесе шығарғанда спинін өзгертеді, бұл SF кезінде пайда болған триплетті энергияны тиімді алуға мүмкіндік береді. Энергетикалық деңгейлерді дәл реттеу FRET-тен болатын шығындарды азайтып, көбейтілген экситондарды тиімді алуға мүмкіндік берді.

Эксперименттік нәтижелер мен болашағы

Тетрацен негізіндегі материалдармен ерітіндіде бұл жүйе шамамен 130% кванттық шығыммен энергия жинай алды. Бұл әр жұтылған фотонға шамамен 1,3 молибденді металлокомплекс белсендірілгенін көрсетеді, яғни әдеттегі шектен асып, фотондардан көп энергия тасымалдаушылар пайда болғанын дәлелдейді.

Зерттеу әзірге тұжырымдаманың дәлелдеу сатысында, бірақ алынған нәтижелер синглетті бөліну мен металлокомплекстерді біріктіру бойынша әрі қарайғы зерттеулерге серпін беруі мүмкін. Бұл тек күн энергетикасы үшін ғана емес, сонымен қатар жарықдиодтар мен жаңа кванттық технологиялар үшін де болашақ ашады. Алдағы уақытта бұл материалдарды қатты фазалы жүйелерге енгізіп, энергия тасымалдау тиімділігін арттыру және күн батареяларында практикалық қолдануға жақындату жоспарлануда.