Japanski znanstvenici razvili su sustav temeljen na metalima koji hvata dodatnu energiju sunčeve svjetlosti i smanjuje gubitke topline tijekom pretvorbe, otvarajući put novoj generaciji solarnih panela. Njihova tehnologija, koja se temelji na takozvanom "spin-flip" efektu, u laboratorijskim je uvjetima postigla kvantni prinos između 110 i 130 posto.
Istraživanje su proveli znanstvenici sa Sveučilišta Kyushu u Japanu, u suradnji s njemačkim Sveučilištem Johannes Gutenberg iz Mainza, a nalazi su objavljeni u časopisu Journal of the American Chemical Society, koje prenosi TechRadar. Iako je tehnologija još u ranoj fazi, predstavlja značajan korak u potrazi za učinkovitijim načinima iskorištavanja sunčeve energije.
Kako funkcionira "tehnologija iz snova"
Ključ inovacije leži u procesu zvanom singletna fisija, koji su istraživači opisali kao "tehnologiju iz snova" za pretvorbu svjetlosti. U konvencionalnim solarnim ćelijama, fotoni visoke energije, poput onih iz plavog dijela spektra, gube višak svoje energije kao toplinu. Zbog toga je maksimalna teoretska učinkovitost standardnih silicijskih panela ograničena na oko 33 posto, što je granica poznata kao Shockley-Queisserov limit.
Singletna fisija zaobilazi taj problem tako što omogućuje jednom visokoenergetskom ekscitonu (nosaču energije koji nastaje apsorpcijom fotona) da se podijeli na dva ekscitona niže energije. Time se, teoretski, udvostručuje broj iskoristivih nosača energije iz istog fotona.
"Imamo dvije glavne strategije za probijanje ove granice", objasnio je Yoichi Sasaki, izvanredni profesor na Fakultetu inženjerstva Sveučilišta Kyushu. "Jedna je pretvaranje infracrvenih fotona niže energije u vidljive fotone veće energije. Druga, koju mi istražujemo, jest korištenje singletne fisije za generiranje dva ekscitona iz jednog fotona."
Hvatanje udvostručene energije
Glavni izazov do sada bio je kako učinkovito "uhvatiti" te udvostručene ekscitone prije nego što se njihova energija izgubi kroz druge procese. Tim je taj problem riješio razvojem posebne kemijske strukture, takozvanog "spin-flip" emitera. Riječ je o kompleksu na bazi metala molibdena koji je precizno podešen da selektivno apsorbira i zarobi udvostručene ekscitone nakon što nastanu procesom fisije.
"Energija može biti lako 'ukradena' mehanizmom koji se zove Försterov rezonantni prijenos energije (FRET) prije nego što dođe do umnožavanja", rekao je Sasaki. "Zbog toga nam je bio potreban akceptor energije koji selektivno hvata umnožene tripletne ekscitone nakon fisije."
Što znači učinkovitost od 130 posto?
Ključno je razumjeti da se kvantni prinos od 130 posto ne odnosi na ukupnu pretvorbu sunčeve u električnu energiju, što bi kršilo zakone fizike. Ovaj postotak označava da je za svaki apsorbirani foton sustav uspio generirati 1,3 ekscitona. To dokazuje da proces umnožavanja energije funkcionira i da se višak energije, koji bi se inače izgubio kao toplina, uspješno pretvara u dodatne nosače naboja.
Eksperimenti, provedeni korištenjem materijala na bazi tetracena u tekućoj otopini, pokazali su kvantne prinose koji su se kretali od nešto više od 110 posto do otprilike 130 posto. Međutim, tehnologija je još daleko od praktične primjene. Sljedeći ključni korak za znanstvenike je integracija ovog sustava u čvrsti materijal koji bi se mogao koristiti za izradu stvarnih solarnih panela.
Širi kontekst i budućnost solarne energije
Ovo istraživanje dio je globalne utrke za povećanjem učinkovitosti solarnih tehnologija. Dok je "spin-flip" tehnologija još u povojima, drugi napredni pravci već pokazuju impresivan napredak:
Perovskitne tandem ćelije: Kombiniranjem sloja perovskita s tradicionalnim silicijem, laboratorijski prototipovi već su premašili 33 posto učinkovitosti, probijajući Shockley-Queisserovu granicu.
Višespojne solarne ćelije: Koriste više slojeva poluvodiča za apsorpciju šireg spektra svjetlosti i u laboratorijima dostižu učinkovitost veću od 47 posto.
Globalna ulaganja u čistu energiju također rastu, a prema izvješćima, u 2025. godini dosegnula su 2,2 bilijuna dolara. Napredak u učinkovitosti ključan je za smanjenje troškova i ubrzanje energetske tranzicije. Znanstvenici ističu da bi se njihova tehnologija, osim u solarnim panelima, mogla primjenjivati i u drugim područjima, poput OLED zaslona i sustava rasvjete, gdje upravljanje ponašanjem ekscitona igra ključnu ulogu u performansama.