Forskere jobber kontinuerlig med å øke hvor effektivt solceller kan gjøre sollys om til elektrisitet. Nå har en internasjonal forskergruppe demonstrert en metode som gir et oppsiktsvekkende høyt kvanteutbytte på 130 prosent.
Det betyr ikke at en vanlig solcelle kan produsere 130 prosent mer energi enn den mottar fra sola. Resultatet handler i stedet om effektivitet på kvantenivå: hvor ofte en bestemt energihendelse skjer per foton som absorberes i systemet.
For å komme forbi «100-prosentgrensen» har forskerne brukt en strategi der energien fra ett enkelt innkommende lysfoton deles i to. Disse to energipakkene kan deretter drive to såkalte eksitoner, altså exciterte tilstander i materialet som mottar energien.
Prosessen kalles singlet fission. Den er interessant fordi den kan redusere energitapet som ellers ofte forsvinner som varme. Slike varmetap er en viktig årsak til at tradisjonelle solceller typisk møter en øvre praktisk grense for total virkningsgrad, ofte knyttet til det som er kjent som Shockley–Queisser-grensen.
– Vi har to hovedstrategier for å bryte denne grensen, sier kjemiker Yoichi Sasaki ved Kyushu University i Japan.
– Den ene er å omdanne lavenergetiske infrarøde fotoner til mer energirike synlige fotoner. Den andre, som vi utforsker her, er å bruke singlet fission til å generere to eksitoner fra ett foton, forklarer han.
I forsøket brukte forskerne den organiske molekylforbindelsen tetracen som materiale for selve «delingen». Materialet har egenskaper som gjør det mulig å splitte én høyenergi-eksitasjon i to lavere energitilstander gjennom elektronisk eksitasjon.
Singlet fission er ikke et helt nytt konsept, men tidligere forsøk har ofte støtt på en praktisk utfordring: Prosessen må få nok tid til å skje før energien enten går tapt eller overføres til andre mekanismer i systemet.
Her kommer grunnstoffet molybden inn. Ved å kombinere molybden med tetracen klarte forskergruppen å «fange» de delte eksitonene i en molybdenbasert forbindelse, slik at energien i større grad kunne utnyttes.
På kvantenivå fungerer molybdenforbindelsen som en såkalt spin-flip-emitter. Først binder den energien, og deretter kan en kvantemekanisk spinnflipp bidra til å gjøre ellers «usynlige» tilstander om til lys. I målingene ga dette et resultat tilsvarende 1,3 molybdenbaserte metallkomplekser eksitert per absorbert foton.
– Energien kan lett «stjeles» av en mekanisme som kalles Förster-resonans energioverføring før multiplikasjon skjer, sier Sasaki.
– Derfor trengte vi en energiakseptor som selektivt fanger de multipliserte triplett-eksitonene etter fisjon, legger han til.
Forskerne understreker at dette foreløpig er tidlige laboratorietester. Et viktig neste steg blir å gjøre om væskeløsningen som ble brukt i eksperimentet til et fast materiale som kan integreres i en solcelle pålitelig og effektivt, noe de selv peker på som krevende.
Det gjenstår også spørsmål om hvor lenge molybdenkompleksene klarer å holde på energien på en måte som er nyttig i en praktisk enhet, og hvordan energien best kan hentes ut. Studien diskuterer også denne typen «forfallsprosesser» som kan redusere den reelle nytten av effekten.
Likevel mener forskerne at funnene gir en tydelig retning for hvordan fremtidige solcelleteknologier kan nærme seg og potensielt overgå dagens begrensninger. Metoden kan i prinsippet justeres og videreutvikles på flere måter, og fungerer som et bevis på at det er mulig å få mer ut av hvert foton enn i konvensjonelle løsninger.
Med solenergi som en viktig del av overgangen bort fra fossile energikilder, kan betydelig bedre utnyttelse av sollys få stor betydning for energisektoren, særlig hvis det kombineres med bedre lagringsteknologier.
– Dette arbeidet representerer et betydelig steg mot å utvikle materialer for eksiton- og fotonforsterkning ved å kombinere singlet fission-materialer med overgangsmetallkomplekser, skriver forskerne i artikkelen.
Studien er publisert i Journal of the American Chemical Society.
