Miért veszítünk energiát a napelemekkel?
A napcellák működése azon alapul, hogy amikor egy foton eltalálja a félvezetőt, energiát ad át egy elektronnak, ami így mozgásba lendül, és elektromos áramot kelt. Minden foton más-más energiát hordoz, de a napelemek csupán az energia nagyjából egyharmadát tudják hasznosítani. Ennek oka, hogy az alacsony energiájú infravörös fotonok egyszerűen nem képesek elektront gerjeszteni, a legnagyobb energiájú fotonok, például a kék fény fotonjai pedig a felesleges energiájukat hő formájában elveszítik. Ez az úgynevezett Shockley–Queisser-határ, amelyet eddig szinte lehetetlen volt átlépni.
Az SF: a napenergia megsokszorozása
Feltételezhető, hogy a szinglet hasadás (singlet fission, SF) nevű technológia áttörést hozhat ezen a téren. Ez a módszer képes egyetlen fotonból két energiahordozót, úgynevezett triplett excitonokat létrehozni. Ugyan bizonyos anyagok támogatják ezt a folyamatot, ám az így létrejött energiahordozók elveszhetnek egy veszteséges mellékfolyamat – a Förster-rezonancia energiaátadás (FRET) – miatt.
A japán Kyushu Egyetemen a német, mainzi Johannes Gutenberg Egyetemmel közösen dolgozó kutatócsoport molibdénalapú ún. spin-flip emittert alkalmazott – olyan fémkomplexet, amely pontosan hangolható, és képes „befogni” az SF által generált energiát. A rendszerben az elektron a fény elnyelésekor vagy kibocsátásakor megváltoztatja a spinjét, így a keletkező triplett-energiát is hasznosítani lehet. A kutatók gondosan hangolták az energiakülönbséget, hogy minimalizálják a FRET-ből eredő veszteségeket.
Valóban adhat a napelem több energiát, mint amennyit kap?
Az új megoldással a gyakorlatban 130%-os kvantumhatásfokot értek el. Ez azt jelenti, hogy minden egyes elnyelt fotonra közel 1,3 molibdénalapú energiahordozó aktiválódott. Az eddigi elvi maximumok tehát átléphetővé váltak – vagyis most először sikerült több energiahordozót létrehozni, mint ahány foton elnyelődött. Ez komoly lendületet adhat az új generációs napelemtechnológiának.
Új távlatok a napenergiában és a kvantumtechnológiában
A felfedezés még csak a koncepcióigazolási (proof of concept) stádiumban jár, de a kutatók már dolgoznak azon, hogy az anyagokat szilárdtest-rendszerekbe is integrálni tudják. A szinglet hasadás és a fémkomplexek összehangolása nemcsak a napenergia-termelésben hozhat előrelépést, hanem a LED-ek és a jövő kvantumszámítógépei terén is forradalmasíthatja az energiagazdálkodást.
Az új technológia látványosan átrajzolhatja a napelemek lehetőségeit – a napenergia végre valóban megmutathatja, mire képes.
