Pačiame šviesos pavertimo elektra centre vis dar slypi reiškinių, kurių neįmanoma sutalpinti į paprastą schemą „fotonas pataiko, elektronas pajuda, teka srovė“. Tai primena naujausias Kyushu universiteto ir „Johannes Gutenberg University Mainz“ mokslininkų darbas. Vis dėlto aplink jį greitai atsirado supaprastinta interpretacija, esą tyrėjai tiesiog sukūrė saulės elementą, kurio efektyvumas siekia 130 proc. Realybė – kur kas įdomesnė.
Tyrimas 2026 m. kovo 25 d. publikuotas Journal of the American Chemical Society. Jis dar kartą parodo, kad būtina aiškiai atskirti laboratorinį rezultatą nuo realaus saulės elemento, kurį būtų galima įmontuoti į fotovoltinį modulį, naudingumo.
Tai nėra saulės panelė, kurios efektyvumas siekia 130 proc.
Svarbiausia pasakyti iš karto: mokslininkai neparodė paruošto saulės elemento, kuris 130 proc. krintančios šviesos energijos paverstų naudinga elektros energija. Komunikacijoje vartojamas terminas apie 130 proc. „energy conversion efficiency“ gali klaidinti, nes vėliau patikslinama, jog kalbama apie maždaug 130 proc. kvantinę išeigą (angl. quantum yield) – t. y. santykį tarp gautų sužadinimų skaičiaus ir sugertų fotonų skaičiaus.
Praktine prasme tai reiškia, kad tiriamoje sistemoje pavyko gauti apie 1,3 sužadinto molibdeno komplekso kiekvienam sugertam fotonui. Skamba įspūdingai ir iš tiesų yra reikšminga, tačiau tai apibūdina konkretų fotofizikinį reiškinį medžiagoje, o ne galutinį fotovoltinio modulio naudingumą. Tai panašu į situaciją, kai apie naujo variklio proveržį būtų skelbiama vien dėl to, kad bandymų stende pavyko pagerinti degimą viename cilindre, dar nesukūrus viso automobilio.
Iš kur apskritai atsiranda „fotovoltikos limitas“?
Klasikinis, vienos sandūros saulės elementas turi gerai žinomą teorinį apribojimą, vadinamą Shockley–Queisser riba. Paprastai tariant, dalis Saulės fotonų turi per mažai energijos, kad apskritai sužadintų krūvininkus, o kita dalis – per daug, todėl energijos perteklius prarandamas šilumos pavidalu. Vienos sandūros elementams teorinė riba siekia apie 33,7 proc., todėl jau daugelį metų daug dėmesio skiriama idėjoms, kurios mažina termalizacijos nuostolius arba leidžia efektyviau „padalyti“ šviesos spektrą.
Čia ir atsiranda pirmasis nesutapimas su sensacingomis antraštėmis. Shockley–Queisser riba nėra „absoliutus fotovoltikos lubų“ aukštis – ji taikoma klasikiniams vienos sandūros elementams. Tandeminiai ir daugiasandūriai sprendimai jau seniai laikomi keliu, leidžiančiu šią ribą viršyti, o laboratorijoje tokios konstrukcijos jau demonstruoja reikšmingai didesnį naudingumą nei vienos sandūros teorinis maksimumas. Kitaip tariant, naujasis darbas nepaneigia gamtos dėsnių – jis įsilieja į platesnes pastangas išradingiau apeiti vieno absorberio apribojimus.
Koks reiškinys čia svarbiausias?
Eksperimento esmė – reiškinys, vadinamas singlet fission. Tai procesas, kai vienas didelės energijos sužadintas singletinis būvis gali skilti į du mažesnės energijos tripletinius būvius. Fotovoltikai tai skamba kaip itin patraukli idėja: vietoj to, kad didelės energijos fotono perteklius būtų „iššvaistytas“ šiluma, mėginama jį paversti dviem naudingais sužadinimais. Idealiu atveju tai leistų gauti daugiau krūvininkų nei klasikiniame scenarijuje „vienas fotonas – vienas sužadinimas“.
Pats singlet fission nėra naujiena – žinoma, kad taip gali elgtis, pavyzdžiui, tetracenas. Tačiau ilgą laiką problema būdavo tai, kas vyksta toliau: papildomus sužadinimus reikia realiai „pagauti“ ir prasmingai panaudoti, kol energija nepasišalina kitais kanalais. Naujojo darbo autoriai išskiria konkretų trukdį – konkuruojantį FRET mechanizmą (rezonansinį Förster energijos pernašą), kuris gali „perimti“ energiją anksčiau, nei ji išgaunama pageidaujama forma.
Ką tiksliai padarė Japonijos ir Vokietijos mokslininkai?
Tyrėjų komanda sujungė tetracenu paremtą medžiagą su molibdeno kompleksu, veikiančiu kaip vadinamasis spin-flip emitter. Būtent šis komponentas yra esminis, nes jis veikia kaip selektyvus tripletinės energijos akceptorius. Tinkamai suderinus energijos lygius, pavyko sumažinti nuostolius dėl FRET ir parodyti, kad sužadinimus, atsirandančius po singlet fission, galima surinkti efektyviau. Šis žingsnis ir yra pagrindinė naujovė bei moksliškai įdomiausia darbo dalis.
Svarbu ir tai, kad galutinis rezultatas gautas tirpale, o ne paruoštame kietajame saulės elemente. Patys autoriai aiškiai nurodo, jog tai yra atvejo analizės etapas, po kurio tik vėliau bus bandoma perkelti abi medžiagas į kietą būseną ir integruoti į realų fotovoltinį įrenginį. Tai reikšminga, nes fotovoltikos technologijų istorijoje netrūksta pavyzdžių, kai laboratorijoje įspūdingai atrodę reiškiniai vėliau susidurdavo su sąsajų (interfeisų) problemomis, stabilumo, mastelio didinimo ir gamybos kaštų realybe.
Taigi, kas iš tiesų įvyko? Mokslininkai pademonstravo naują selektyvaus „padaugintų“ sužadinimų surinkimo būdą, kuris ateityje potencialiai galėtų padėti saulės elementams peržengti klasikinius vienos sandūros apribojimus. Be to, autoriai šios chemijos galimybes mato plačiau nei vien saulės panelėse: minimi ir LED sprendimai, ir kvantinės technologijos, nes efektyvus energijos pernašos valdymas bei sukinio būsenų kontrolė molekuliniuose dariniuose aktuali ne tik fotovoltikos sričiai.
Šaltiniai: Kyushu universitetas; Journal of the American Chemical Society; „EurekAlert“; „National Laboratory of the Rockies“.
