Badania australijskiego zespołu naukowców i inżynierów z Uniwersytetu Nowego Południowego Walii (UNSW Sydney) otwierają nowe perspektywy w dziedzinie technologii odnawialnych źródeł energii. Naukowcy znaleźli sposób na pokonanie jednego z kluczowych ograniczeń, jakim jest proces zwany rozszczepieniem singletowym (singlet fission). Pozwala on na podwojenie efektywnego poboru energii ze słońca, co może znacząco wpłynąć na wydajność przyszłych systemów fotowoltaicznych. Odkrycie to, opisane w czasopiśmie ACS Energy Letters, stanowi przełomowe rozwiązanie, obiecujące zwiększenie możliwości konwersji energii słonecznej na energię elektryczną.
Obecnie większość paneli słonecznych jest wyprodukowana z krzemu, materiału charakteryzującego się niezawodnością i stosunkowo niskim kosztem. Niemniej jednak istnieją pewne granice efektywności konwersji energii w panelach krzemowych. Najlepsze komercyjne ogniwa słoneczne obecnie osiągają wydajność przekraczającą 27 %, a teoretyczny pułap konwersji dla krzemu to około 29,4 %. Technologia rozszczepienia singletowego oferuje drogę do przekroczenia tej barierę. Polega ona na wykorzystaniu specjalnych materiałów organicznych, w których pojedynczy foton, czyli cząstka światła, jest dzielony na dwa niższe poziomy energii. Dzięki temu zamiast jednego pakietu energii otrzymujemy dwa, co potencjalnie zwiększa wydajność całego systemu.
Dotychczasowym wyzwaniem było znalezienie odpowiedniego materiału, który nie tylko efektywnie przeprowadzałby proces rozszczepienia singletowego, ale również byłby stabilny i trwały w warunkach środowiskowych. Wcześniejsze badania, prowadzone przez inne zespoły badawcze, wykorzystywały związek chemiczny tetracen, który wykazywał obiecujące wyniki w warunkach laboratoryjnych. Niestety, tetracen charakteryzował się zbyt szybkim procesem degradacji pod wpływem powietrza i wilgoci, co uniemożliwiało jego praktyczne zastosowanie. Australijski zespół z UNSW, w skład którego wchodzą "Omega Silicon", po raz pierwszy zademonstrował, że związek o nazwie DPND (dipyrrolonaphthyridinedione) może równie skutecznie przeprowadzać proces rozszczepienia singletowego, jednocześnie zachowując stabilność w typowych warunkach zewnętrznych.
"Pokazaliśmy, że można połączyć krzem z tym stabilnym materiałem, który przechodzi rozszczepienie singletowe, a następnie wstrzykuje dodatkowy ładunek elektryczny" – wyjaśnia dr Ben Carwithen, pracownik naukowy w Szkole Chemii na UNSW. "To wciąż wczesny etap, ale to pierwsze zademonstrowanie, że to w ogóle może działać w realistycznym systemie."
Idea technologii opiera się na prostym założeniu: maksymalnego wykorzystania energii słonecznej. Odkrycie to stanowi rozwinięcie po ponad dekadach podstawowych badań prowadzonych przez profesora Tima Schmidta, kierownika Szkoły Chemii na UNSW. Jego zespół jako pierwszy na świecie użył pól magnetycznych do zbadania kluczowego etapu procesu rozszczepienia singletowego. "Nasze poprzednie badanie dotyczyło drogi tego procesu" – mówi profesor Schmidt. "Wykorzystaliśmy pola magnetyczne do manipulowania emitowanym światłem i ujawnienia, jak zachodzi rozszczepienie singletowe. Tego wcześniej nikt nie zrobił." Zrozumienie tych fundamentalnych mechanizmów pozwoliło naukowcom na projektowanie lepszych materiałów i struktur warstwowych, zwiększających efektywność procesu.
"Różne kolory światła przenoszą różną energię" – tłumaczy profesor Schmidt. "Niebieskie światło ma więcej energii, ale większość tej energii jest tracona w postaci ciepła w normalnym ogniwie słonecznym. Przy użyciu rozszczepienia singletowego, ta nadmiarowa energia może zostać przekształcona w użyteczną energię elektryczną." Zastosowana technika pozwala na efektywne przekształcenie wcześniej traconej energii w użyteczną. Zastosowanie DPND, w przeciwieństwie do wcześniejszych prób, ma fundamentalne znaczenie dla stabilności i dalszego rozwoju technologii.
Zastępca profesora Murad Tayebjee, nadzorujący badanie, określa to odkrycie jako "ogromny krok naprzód" dla technologii paneli słonecznych. "To pierwsze zademonstrowanie rozszczepienia singletowego na krzemie przy użyciu stosunkowo stabilnej cząsteczki organicznej opartej na przemysłowych barwnikach" – dodaje A/Prof. Tayebjee. Barwniki to substancje, które nadają kolor i absorbują światło. Przemysłowe barwniki charakteryzują się dużą trwałością, podobnie jak te stosowane w lakierach samochodowych.
Stabilność związków DPND jest kluczowa dla wdrożenia tej technologii na szeroką skalę. Daje ona nadzieję na stworzenie paneli słonecznych o wydajności znacznie przekraczającej obecne standardy, co przyczyni się do bardziej zrównoważonego i efektywnego wykorzystania energii słonecznej. Kolejne etapy badań będą koncentrować się na optymalizacji procesu rozszczepienia singletowego i integracji nowej technologii z istniejącymi systemami fotowoltaicznymi.