Один фотон может высвобождать два электрона, поднимая эффективность солнечных батарей выше теоретического предела Шокли-Квайссера.
Не предел: Два к одному

На протяжении десятилетий предел Шокли-Квайссера, ограничивающий эффективность однопереходного солнечного элемента величиной около 34%, казался непреодолимым. Однако исследователи из MIT продемонстрировали способ обойти это ограничение.

Теоретическая основа для такого прорыва была заложена еще в 1960-х годах, однако реализовать изложенные на бумаге принципы «деления синглетного экситона» практически оказалось нелегко.

Экситоны — это квазичастицы, возникающие в результате поглощения молекулой энергии фотона. Основное, невозбужденное состояние молекулы считается синглетным, при поглощении кванта энергии она может перейти в первое возбужденное состояние (триплетное), следующая ступень — снова синглетное, но уже возбужденное состояние. Синглетный экситон — это состояние синглетного молекулярного возбуждения, которое при некоторых расчетах может быть рассмотрено как мнимая частица (квазичастица).

В стандартных фотоэлектрических элементах каждый фотон «выбивает» только один электрон, а избыточная энергия фотона (которой вполне могло бы хватить на большее) расходуется на повышение температуры материала. Теперь ученым удалось заставить фотоны видимой области спектра высвобождать по два электрона. Нечто подобное было проделано раньше с ультрафиолетовым излучением, но на его долю приходится лишь малая часть энергии, которую готово предоставить нам Солнце.

Солнечные элементы, разработанные исследователями, созданы на основе органического полупроводникового материала — пентацена. Его способность образовывать два экситона при поглощении одного фотона была известна, но никому не удавалось приспособить пентацен для производства энергии в составе реального фотоэлектрического элемента.

Сейчас в области усовершенствования солнечных батарей идет борьба за увеличение эффективности на десятые доли процента, при этом КПД коммерческих образцов не превышает 25%. Предполагаемый скачок до 30%, который станет возможным в результате освоения техники деления синглетного экситона, — огромный шаг вперед. Исследователи рассматривают и другие (помимо пентацена) материалы, способные справиться с этой задачей.

По сообщению MIT News