Μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο Kyushu στην Ιαπωνία παρουσιάζει μια εξέλιξη που επαναπροσδιορίζει τα δεδομένα στην ηλιακή ενέργεια, αποδεικνύοντας ότι είναι εφικτή η συλλογή περισσότερων φορέων ενέργειας από το ηλιακό φως σε σχέση με τον αριθμό των φωτονίων που απορροφώνται.

Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στις 25 Μαρτίου στο Journal of the American Chemical Society, καταγράφει κβαντική απόδοση περίπου 130%, ξεπερνώντας ένα από τα βασικά όρια της φυσικής στη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας. Το εύρημα αυτό σηματοδοτεί μια σημαντική στροφή, με δυνατότητες εφαρμογής σε πιο αποδοτικές φωτοβολταϊκές τεχνολογίες.

Το όριο των συμβατικών φωτοβολταϊκών

Τα παραδοσιακά ηλιακά κύτταρα λειτουργούν υπό τον περιορισμό του ορίου Shockley–Queisser, σύμφωνα με το οποίο κάθε φωτόνιο μπορεί να διεγείρει μόνο ένα ηλεκτρόνιο. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι φωτόνια χαμηλής ενέργειας δεν αξιοποιούνται, ενώ εκείνα υψηλής ενέργειας χάνουν το πλεόνασμα ως θερμότητα.

Ως αποτέλεσμα, τα συμβατικά φωτοβολταϊκά καταφέρνουν να αξιοποιούν περίπου το ένα τρίτο της συνολικής ηλιακής ενέργειας που δέχονται, αφήνοντας σημαντικά περιθώρια βελτίωσης.

Η προσέγγιση της σχάσης και το κβαντικό πλεονέκτημα

Σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg του Mainz στη Γερμανία, η ομάδα του Kyushu στράφηκε στη διαδικασία της σχάσης (singlet fission), ένα κβαντομηχανικό φαινόμενο κατά το οποίο ένα εξιτόνιο υψηλής ενέργειας διασπάται σε δύο εξιτόνια χαμηλότερης ενέργειας.

Αν και υλικά όπως το τετρακένιο είναι γνωστό ότι μπορούν να υποστούν αυτή τη διαδικασία, η βασική πρόκληση ήταν η αξιοποίηση των πολλαπλασιασμένων εξιτονίων πριν χαθεί η ενέργεια μέσω της μεταφοράς Förster.

Όπως εξήγησε ο Yoichi Sasaki, αναπληρωτής καθηγητής στη Σχολή Μηχανικής του Πανεπιστημίου Kyushu, «χρειαζόμασταν έναν αποδέκτη ενέργειας που να δεσμεύει επιλεκτικά τα πολλαπλασιασμένα εξιτόνια τριπλετών μετά τη σχάση».

Πώς επιτεύχθηκε η υπέρβαση του ορίου

Με ακριβή ρύθμιση των ενεργειακών επιπέδων, οι ερευνητές κατάφεραν να περιορίσουν τις απώλειες και να συλλέξουν αποτελεσματικά τα πολλαπλασιασμένα εξιτόνια.

Σε πειραματικές δοκιμές με υλικά τετρακενίου σε διάλυμα, το σύστημα πέτυχε κβαντική απόδοση 130%, που αντιστοιχεί σε περίπου 1,3 διεγέρσεις συμπλόκων μολυβδαινίου ανά φωτόνιο. Το θεωρητικό όριο της μεθόδου φτάνει έως και το 200%, αφήνοντας περιθώρια περαιτέρω εξέλιξης.

Η απαρχή της συνεργασίας

Η συνεργασία ξεκίνησε με πρωτοβουλία του Adrian Sauer, φοιτητή ανταλλαγής από το Mainz, ο οποίος έφερε στο εργαστήριο του Kyushu υλικά που μελετούνταν επί χρόνια στο γερμανικό πανεπιστήμιο, ανοίγοντας τον δρόμο για την πειραματική επιβεβαίωση της θεωρίας.

Τα επόμενα βήματα και οι εφαρμογές

Παρά τη σημαντική πρόοδο, οι επιστήμονες επισημαίνουν ότι η έρευνα βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο στάδιο. Τα πειράματα έχουν πραγματοποιηθεί σε διάλυμα και το επόμενο κρίσιμο βήμα είναι η μετάβαση σε στερεάς κατάστασης συστήματα, ώστε η τεχνολογία να μπορεί να ενσωματωθεί σε λειτουργικά φωτοβολταϊκά πάνελ.

Πέρα από την ηλιακή ενέργεια, η τεχνολογία αυτή ενδέχεται να βρει εφαρμογές και σε LED καθώς και σε κβαντικές συσκευές, δημιουργώντας νέες προοπτικές για την ενεργειακή και τεχνολογική καινοτομία.

Διαβάστε ακόμη

Τα μεγαλύτερα δεξαμενόπλοια του κόσμου και το ακριβό μεροκάματο του πετρελαίου

Πόσο έχει επηρεάσει τις κρατήσεις στα Airbnb η κρίση στη Μ. Ανατολή; Οι κερδισμένοι και οι χαμένοι προορισμοί στην Ελλάδα (πίνακες)

Διονυσίου Αρεοπαγίτου: Μετά τη «στοχοποίηση» έρχεται και το σφυρί (pics)

Για όλες τις υπόλοιπες ειδήσεις της επικαιρότητας μπορείτε να επισκεφτείτε το Πρώτο Θέμα