Vedci z Univerzity v Kjúšú v Japonsku a z Univerzity Johannesa Gutenberga v Mainzi dosiahli niečo, čo fyzici dlho považovali za nemožné: kvantovú účinnosť solárnych článkov na úrovni 130 %. To znamená, že pre každých 100 fotónov, ktoré vstúpili do systému, dokázali získať 130 použiteľných energetických nosičov.

60-ročná prekážka

Zo všetkej energie, ktorú k nám Slnko vysiela, možno na využiteľnú elektrickú energiu premeniť len asi 33 %. Táto fyzikálna hranica sa nazýva Shockley-Queisserov limit. Je pomenovaný po dvoch fyzikoch, ktorí ju teoreticky odvodili v roku 1961.

Dôvod spočíva v termodynamike: slnečné svetlo k nám prichádza ako obrovská škála svetelnej energie, ale premeniť dokážeme iba úzky prúžok z tohto spektra. Zvyšok buď prejde skrz, alebo sa stráca vo forme prebytočného tepla.

Väčšina komerčných solárnych panelov dosahuje účinnosť okolo 25 %. A to je ďaleko pod teoretickým maximom. Práve na tento problém sa zamerali výskumníci.

Mohlo by vás zaujímať

Tlačové správy

22. novembra 2021

Hľadali sme najstarší Sencor na Slovensku a našli sme. Má 45 rokov a vyzerá vynikajúco!

Štiepenie jedného fotónu na dva

Kľúčovým javom je tu tzv. singletový rozpad. Je to proces, pri ktorom sa jeden fotón modrej časti svetelného spektra rozštiepi na dve menšie energetické jednotky (tripletové excitóny) namiesto jednej, čo teoreticky zdvojuje energetický výťažok.

Problémom však bolo zachytiť tieto excitóny pred tým, než sa energia stratila prostredníctvom konkurenčného procesu FRET (Försterov rezonančný energetický transfer).

Tím vedcov použil zlúčeninu molybdénu s nezvyčajnou vlastnosťou: elektrón v nej dokáže pri kontakte so svetlom zmeniť smer svojho rotačného pohybu (tzv. spin-flip), čo ho robí ideálnym „lapačom“ energie, ktorá sa uvoľňuje pri štiepení fotónov.

Presne nastavené energetické hladiny tejto zlúčeniny zabránili úniku energie do okolitých molekúl a umožnili zachytiť zdvojené energetické nosiče skôr, než sa stratia.

V kombinácii s organickou látkou tetracén sa dosiahol kvantový výťažok 130 %, teda z každých 100 dopadnutých fotónov sa získalo 130 použiteľných energetických nosičov.

Pozor, ide o kvantovú účinnosť, nie celkovú

Je nutné zdôrazniť, že 130 % sa vzťahuje na kvantový výťažok (t. j. počet energetických nosičov na jeden fotón), nie na celkovú energetickú účinnosť. Skutočná energetická účinnosť zostáva pod 100 % z dôvodu existencie zákonov fyziky.

Solárne články, ktoré sú na trhu, stále dosahujú zhruba 25-percentnú účinnosť, a to sa v dohľadnej dobe pravdepodobne dramaticky nezmení.

Mohlo by vás zaujímať

Tlačové správy

28. júla 2021

Kia EV6, zdroj inšpirácie

Potenciál presahuje fotovoltiku

Vedci sa teraz zamerajú na integráciu týchto materiálov do systémov na zlepšenie prenosu energie a priblíženie sa k praktickému využitiu. Výsledky výskumu by mohli otvoriť cestu k ďalším výskumom, ktoré spoja túto metódu štiepenia fotónov s kovovými zlúčeninami.

Praktické uplatnenie by pritom nemuselo zostať len pri solárnych paneloch – rovnaký princíp by sa dal využiť napríklad v efektívnejších LED diódach či v rozvíjajúcom sa odbore kvantových technológií.

Ak sa podarí tieto laboratórne výsledky preniesť do reálnych zariadení, mohlo by ísť o najväčší prelom vo fotovoltike za viac ako 60 rokov.

Text: Zázračná planéta

Foto: Shutterstock