Μια νέα επιστημονική ανακάλυψη υπόσχεται να ξεπεράσει ένα μακροχρόνιο φυσικό εμπόδιο στην απόδοση των ηλιακών συστημάτων. Ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα μεταλλικό σύμπλεγμα «αναστροφής σπιν» (spin-flip) για να αιχμαλωτίσουν και να πολλαπλασιάσουν την ενέργεια του ηλιακού φωτός μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται σχάση απλής κατάστασης (singlet fission).
Το αποτέλεσμα άγγιξε το 130% σε απόδοση, κάτι που σημαίνει ότι παρήχθησαν περισσότεροι φορείς ενέργειας από όσους ήταν οι αρχικοί στόχοι των φωτονίων που απορροφήθηκαν. Αυτή η εξέλιξη μπορεί να οδηγήσει σε πολύ πιο ισχυρά ηλιακά πάνελ στο μέλλον.
Η ηλιακή ενέργεια παίζει καθοριστικό ρόλο στις προσπάθειες μείωσης της εξάρτησης από τα ορυκτά καύσιμα. Αν και ο Ήλιος προσφέρει τεράστιες ποσότητες ενέργειας, τα σύγχρονα φωτοβολταϊκά στοιχεία παγιδεύουν μόνο ένα μικρό μέρος της, λόγω ενός φυσικού ορίου που μέχρι τώρα ήταν αδύνατο να ξεπεραστεί.
Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Kyushu στην Ιαπωνία, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg του Mainz στη Γερμανία, ανέπτυξαν έναν νέο τρόπο για να σπάσουν αυτό το φράγμα. Χρησιμοποιώντας ένα μεταλλικό σύμπλεγμα βασισμένο στο μολυβδαίνιο, κατάφεραν να επιτύχουν αποδόσεις μετατροπής της ενέργειας κοντά στο 130%, ξεπερνώντας το παραδοσιακό όριο του 100%.
Πώς λειτουργούν τα φωτοβολταϊκά και πού χάνεται η ενέργεια
Τα ηλιακά κύτταρα παράγουν ηλεκτρική ενέργεια όταν τα φωτόνια του ηλιακού φωτός προσκρούουν σε έναν ημιαγωγό και μεταφέρουν ενέργεια στα ηλεκτρόνια, θέτοντάς τα σε κίνηση και δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα.
Ωστόσο, δεν είναι όλα τα φωτόνια εξίσου χρήσιμα. Τα φωτόνια της υπέρυθρης ακτινοβολίας που έχουν χαμηλή ενέργεια δεν μπορούν να ενεργοποιήσουν τα ηλεκτρόνια, ενώ τα φωτόνια υψηλής ενέργειας, όπως αυτά του μπλε φωτός, χάνουν την επιπλέον ενέργειά τους με τη μορφή θερμότητας. Εξαιτίας αυτού, τα παραδοσιακά ηλιακά κύτταρα μπορούν να εκμεταλλευτούν μόνο το ένα τρίτο περίπου του εισερχόμενου ηλιακού φωτός, ένας περιορισμός γνωστός ως όριο Shockley-Queisser.
Ο πολλαπλασιασμός της ενέργειας μέσω του Singlet Fission
Η μέθοδος της σχάσης απλής κατάστασης (singlet fission – SF) επιτρέπει τη δημιουργία δύο εξιτονίων (φορέων ενέργειας) από ένα μόνο φωτόνιο. Υπό κανονικές συνθήκες, κάθε φωτόνιο παράγει μόνο ένα εξιτόνιο. Με τη μέθοδο SF, αυτό το αρχικό εξιτόνιο μπορεί να διασπαστεί σε δύο χαμηλότερης ενέργειας, διπλασιάζοντας ουσιαστικά τη διαθέσιμη ενέργεια. Αν και ορισμένα υλικά μπορούν να υποστηρίξουν αυτή τη διαδικασία, η αποτελεσματική παγίδευση αυτών των φορέων ήταν μέχρι τώρα εξαιρετικά δύσκολη.
Το πρόβλημα ήταν ότι η ενέργεια μπορούσε εύκολα να χαθεί από έναν μηχανισμό μεταφοράς ενέργειας (FRET) πριν προλάβει να γίνει ο πολλαπλασιασμός. Για να το αντιμετωπίσουν αυτό, οι ερευνητές στράφηκαν σε ειδικά σχεδιασμένα μεταλλικά συμπλέγματα μολυβδαινίου. Σε αυτό το σύστημα, ένα ηλεκτρόνιο αλλάζει το σπιν του κατά την απορρόφηση του φωτός, επιτρέποντάς του να αιχμαλωτίσει αποτελεσματικά την ενέργεια που παράγεται από τη σχάση, ελαχιστοποιώντας τις απώλειες.
Ελπιδοφόρα αποτελέσματα για το μέλλον
Όταν το σύστημα δοκιμάστηκε σε υγρά διαλύματα, πέτυχε κβαντική απόδοση της τάξης του 130%. Αυτό σημαίνει ότι για κάθε φωτόνιο που απορροφήθηκε, ενεργοποιήθηκαν περίπου 1.3 μεταλλικά συμπλέγματα, αποδεικνύοντας στην πράξη ότι παρήχθησαν περισσότεροι φορείς ενέργειας από τα εισερχόμενα φωτόνια.
Η έρευνα αυτή βρίσκεται ακόμα σε στάδιο απόδειξης της θεωρητικής της βάσης (proof-of-concept). Ο επόμενος στόχος της επιστημονικής ομάδας είναι η ενσωμάτωση αυτών των υλικών σε στερεά συστήματα, ώστε να βελτιωθεί η μεταφορά ενέργειας και να πλησιάσει η τεχνολογία στην πρακτική εφαρμογή της στα φωτοβολταϊκά πάνελ. Οι ανακαλύψεις αυτές θα μπορούσαν επίσης να φανούν χρήσιμες στην ανάπτυξη νέων τύπων LED, αλλά και σε αναδυόμενες κβαντικές τεχνολογίες.
