Tento průlom, který je zatím v experimentální fázi, by mohl zdvojnásobit skutečnou účinnost současných fotovoltaických panelů na 35 až 45 %.
Tým vědců z japonské univerzity Kjúšú představil studii publikovanou v časopise American Chemical Society, která by mohla změnit pravidla hry v oblasti fotovoltaiky. Podařilo se jim přimět solární článek, aby generoval více nosičů energie než přijatých fotonů, čímž dosáhli kvantového výtěžku 130 %.
Proč dnešní solární panely tolik plýtvají energií?
Každý majitel solárních panelů ví, že solární panely pomáhají získat energetickou nezávislost a snížit náklady na účty za elektřinu. Odborníci z oboru se však shodují, že fotovoltaická technologie má stále co zlepšovat.
Hlavní příčina této neefektivity spočívá v tom, jak fotony, tj. malé balíčky energie přenášené světlem, interagují s polovodičovým materiálem panelu, obvykle křemíkem. Při dopadu na povrch předá foton svou energii elektronu, který se uvolní a vyvolá pohyb. Tento tok elektronů se promění v použitelný elektrický proud.
Problémem je, že fotony přicházejí na velmi rozdílných energetických úrovních v závislosti na své vlnové délce. Například fotony v infračerveném pásmu nemají dostatečnou energii na to, aby z polovodiče oddělily elektrony: jednoduše projdou nebo se přemění na teplo. Na druhém pólu jsou fotony modrého světla, které nesou přebytečnou energii, jež se po uvolnění elektronu rovněž rozptýlí jako teplo, aniž by byla využita.
Tato nerovnováha mezi dostupnou energií a prahem potřebným pro přeměnu stanovuje teoretickou bariéru známou jako Shockley-Queisserova mez, která určuje maximální účinnost standardního jednopřechodového solárního článku na přibližně 33 %.
Trik: jeden foton generuje dva excitony
Japonští vědci našli způsob, jak toto omezení obejít, a zaměřili se na fyzikální jev zvaný štěpení singletů. Tento proces znamená, že jeden exciton, což je kvazičástice, která vzniká, když elektron absorbuje energii a naváže se na „díru“, kterou za sebou zanechává, se rozdělí na dva excitony s nižší energií. V běžných panelech vytváří každý foton jeden exciton; při singletovém štěpení může jediný vysokoenergetický foton vytvořit dva.
Za tímto účelem tým z Kjúšú vyvinul tzv. spin-flip kovový komplex na bázi molybdenu v kombinaci s materiálem schopným spouštět singletové štěpení. Vědci uvádějí, že díky této kombinaci se jim podařilo generovat více použitelných nosičů energie než přicházejících fotonů, což se dosud zdálo nedosažitelné.
Co vlastně znamená 130% výtěžnost?
Je třeba upřesnit, že 130 % se týká kvantového výtěžku: na každý absorbovaný foton připadá v průměru 1,3 excitonu. Znamená to, že budoucí panely budou přeměňovat 130 % světla na elektřinu? Vůbec ne, protože by to porušovalo zákon zachování energie.
Tento průlom však umožňuje to, že skutečná účinnost přeměny, převedená do makroskopické sféry a za ideálních podmínek, by mohla být mezi 35 % a 45 %. Na první pohled se to nemusí zdát jako velkolepý skok, ale v praxi by to odpovídalo zdvojnásobení výkonu mnoha panelů, které jsou v současnosti instalovány v domácnostech a firmách. Studie je zatím v experimentální fázi, ale otevírá velmi slibné vyhlídky pro budoucnost solárních kolektorů.