Исследователи из Университета Кюсю (Япония) совместно с коллегами из Германии продемонстрировали технологию, которая позволяет получать больше usable энергетических носителей, чем поступающих фотонов. В эксперименте была достигнута квантовая эффективность около 130% — результат, который на первый взгляд кажется нарушением законов физики.
На самом деле речь идёт не об общей энергетической эффективности солнечных элементов, а о квантовом выходе (quantum yield). Обычные кремниевые солнечные панели превращают в электричество лишь около 20% падающего света. Даже теоретический предел для однослойных элементов (предел Шокли-Квейссера) составляет примерно 33%. Основная проблема в том, что фотоны разной энергии ведут себя по-разному: инфракрасные слишком слабые, а синие и фиолетовые несут избыточную энергию, которая просто превращается в тепло.
Учёные применили явление, называемое синглетным расщеплением (singlet fission). При нём один высокоэнергетический экситон (возбуждённое состояние) делится на два экситона с меньшей энергией. Таким образом, один фотон может породить два полезных носителя заряда вместо одного.
Главная сложность всегда заключалась в том, чтобы «поймать» эти дополнительные экситоны до того, как они потеряются из-за конкурирующих процессов. Японская команда решила проблему с помощью специально разработанного молибденового металлокомплекса с эффектом «переворота спина» (spin-flip). Этот комплекс избирательно захватывает триплетные экситоны, образующиеся при синглетном расщеплении, и игнорирует конкурирующий механизм переноса энергии Фёрстера.
В результате эксперимента удалось получить в среднем 1,3 экситона на каждый поглощённый фотон — то есть квантовая эффективность 130%.
Исследование опубликовано в журнале Journal of the American Chemical Society.
