Солнечные панели станут куда мощнее: ученые раскрыли 100-летний секрет, как этого добиться
Ученые из Кембриджского университета выяснили, что особая молекула может преобразовывать свет в электричество с невероятной эффективностью. Это может привести к созданию более простых, легких и дешевых солнечных панелей.
В рамках исследования, связывающего современную науку с идеями столетней давности, ученые стали свидетелями удивительного явления, ранее считавшегося возможным только в неорганических оксидах металлов, возникающих внутри светящейся молекулы органического полупроводника, пишет sciencedaily.com.
Открытие ученых из Кембриджского университета проложило путь к новому эффективному способу улавливания света и его преобразования в электричество. Это также поможет изменить будущее солнечных технологий, говорится в статье.
Исследование посвящено спин-радикальному органическому полупроводнику, известному как P3TTM. В основе каждой молекулы лежит один неспаренный электрон, что обуславливает ее особые магнитные и электронные свойства.
Ранее исследователи разработали это семейство молекул благодаря их яркой люминесценции, применяемых в органических светодиодах, но позже выяснилось, что когда молекулы расположены близко друг к другу, их неспаренные электроны взаимодействуют подобно электронам в изоляторе Мотта-Хаббарда (изолятор Мотта-Хаббарда — материал, который становится диэлектриком из-за сильного межэлектронного взаимодействия, а не из-за обычной структуры кристаллической решетки. В таком состоянии электроны «застревают» на одном месте и не могут свободно перемещаться, теряя способность проводить электрический ток. Это явление описывается в рамках модели Хаббарда и связано с сильным отталкиванием электронов друг от друга, что предотвращает их движение по кристаллической решетке, — прим. ред.).
В большинстве органических материалов электроны образуют пары и не взаимодействуют друг с другом. Но в данной системе, когда молекулы собираются вместе, взаимодействие между неспаренными электронами на соседних участках побуждает их выстраиваться попеременно вверх и вниз, что является отличительной чертой поведения Мотта-Хаббарда. При поглощении света один из этих электронов перескакивает на ближайшего соседа, создавая положительные и отрицательные заряды, которые могут быть извлечены и генерировать электричество, пояснили исследователи.
Чтобы проверить этот эффект, был создан солнечный элемент с использованием тонкой пленки P3TTM. Под воздействием света устройство достигло практически идеальной эффективности сбора заряда, то есть практически каждый входящий фотон превращался в пригодный для использования электрический ток. Традиционным органическим солнечным элементам требуются два материала: один для отдачи электронов и другой для их приема, и этот интерфейс ограничивает эффективность. Однако новые молекулы осуществляют весь процесс преобразования в рамках одного вещества. После поглощения фотона электрон естественным образом перемещается к соседней молекуле того же типа, создавая разделение зарядов. Небольшое количество энергии, необходимое для этого процесса, известное как "U Хаббарда", отражает электростатическую стоимость размещения двух электронов на одной отрицательно заряженной молекуле.
Ученые разработали молекулярные структуры, позволяющие настраивать контакт между молекулами и энергетический баланс, регулируемый физикой Мотта-Хаббарда, необходимый для достижения разделения зарядов. Это означает, что солнечные элементы, возможно, можно будет изготавливать из одного недорогого и легкого материала.
Открытие имеет историческое значение. Данное открытие было сделано в год 120-летия со дня рождения Мотта, отдавая дань уважения легендарному физику, чьи работы по взаимодействию электронов в неупорядоченных системах заложили основу современной физики конденсированного состояния.
Открытия Невилла Мотта стали основополагающими для нашего понимания полупроводников. Для ученых видеть, как эти основополагающие законы квантовой механики проявляются в совершенно новом классе органических материалов и как их можно использовать для сбора света, – поистине уникальное событие.
Ранее мы писали о том, что в Японии нашли неожиданное применение 5000 солнечных панелей. Проект "Солнечный ковчег" состоит из 5000 фотоэлементов, которые могут в совокупности генерировать 530 000 кВтч зеленой энергии в год.