Naukowcy biją rekord w wydajności ogniw słonecznych – nowa technologia podwaja możliwości

Przełom w technologii ogniw słonecznych

Energia słoneczna od dawna uznawana jest za jedno z najbardziej obiecujących źródeł czystej energii. Fotowoltaika, wykorzystująca półprzewodniki do bezpośredniego przetwarzania światła w prąd elektryczny, staje się coraz bardziej powszechna. Jednak przez dziesięciolecia naukowcy borykali się z fundamentalnym ograniczeniem: ogniwa słoneczne mogły wykorzystać zaledwie około 33% energii docierającej do nich ze Słońca.

To ograniczenie, znane jako limit Shockleya-Queissera, zostało teoretycznie udowodnione w 1961 roku. Wynika ono z faktu, że światło słoneczne składa się z szerokiego spektrum fal elektromagnetycznych, a ogniwa fotowoltaiczne są w stanie przetworzyć jedynie wąski zakres tego spektrum w energię elektryczną. Reszta energii jest tracona – albo przechodzi przez ogniwo, albo zamienia się w ciepło.

Nowa metoda podwaja możliwości ogniw

Zespół badaczy z Japonii i Niemiec, którego prace zostały opublikowane w Journal of the American Chemical Society, zaproponował rewolucyjne rozwiązanie. Ich metoda polega na wykorzystaniu wysokenergetycznego światła niebieskiego, które normalnie nie jest przetwarzane na energię elektryczną. Poprzez naświetlanie specjalnego związku chemicznego – mieszaniny organicznej cząsteczki tetracenu i metalu molibdenu – naukowcy byli w stanie podzielić energię jednego fotonu na dwa nośniki energii.

Wyniki eksperymentów były spektakularne: osiągnięto wydajność kwantową na poziomie 130%. Oznacza to, że na każde 100 fotonów światła wpadających do ogniwa, możliwe było uzyskanie 130 nośników energii elektrycznej. To pierwszy raz, gdy udało się tak znacząco przekroczyć teoretyczny limit wydajności ogniw słonecznych.

Jak działa nowa technologia?

Kluczem do sukcesu okazało się zjawisko rozszczepienia singletowego (singlet fission). Polega ono na tym, że jeden foton światła niebieskiego, który normalnie generowałby tylko jeden nośnik energii, jest rozdzielany na dwa. Dzięki temu możliwe jest wykorzystanie większej części energii padającego światła.

Badacze podkreślają, że dodatek molibdenu do mieszaniny tetracenu rozwiązał problem stabilności procesu, który wcześniej uniemożliwiał praktyczne zastosowanie tej metody. Yoichi Sasaki, chemik z Uniwersytetu w Kyushu i współautor badania, wyjaśnił:

„Mamy dwie główne strategie, aby przełamać limit Shockleya-Queissera. Jedna polega na konwersji niskoenergetycznych fotonów podczerwieni na fotony światła widzialnego o wyższej energii. Druga, którą badamy, wykorzystuje rozszczepienie singletowe do generowania dwóch ekscytonów z jednego fotonu.”

Czy rewolucja jest blisko?

Choć wyniki badań są obiecujące, naukowcy podkreślają, że na razie są to eksperymenty laboratoryjne. Najbardziej wydajne komercyjne ogniwa słoneczne osiągają obecnie około 25% sprawności, a ich udoskonalenie zajmie jeszcze wiele lat. Mimo to, osiągnięcie 130% sprawności w warunkach laboratoryjnych to największy przełom od ponad 60 lat.

Eksperci są zgodni, że nawet jeśli technologia nie zostanie natychmiast wdrożona na szeroką skalę, to otwiera ona nowe możliwości badawcze i może doprowadzić do opracowania jeszcze bardziej wydajnych ogniw w przyszłości.

Przyszłość energetyki słonecznej

Osiągnięcie zespołu z Japonii i Niemiec to kolejny krok w kierunku zwiększenia wydajności ogniw fotowoltaicznych. Choć droga od laboratorium do masowej produkcji jest długa, to badania te pokazują, że ograniczenia technologiczne nie są nieprzekraczalne.

W miarę jak naukowcy będą kontynuować prace nad udoskonaleniem tej metody, możemy spodziewać się pojawienia się na rynku nowych, jeszcze bardziej wydajnych ogniw słonecznych. To z kolei mogłoby znacząco obniżyć koszty produkcji energii elektrycznej z odnawialnych źródeł i przyspieszyć globalny proces odejścia od paliw kopalnych.