Сонячні панелі стануть набагато потужнішими: розкрито 100-річний секрет, як цього домогтися

У рамках дослідження, що пов'язує сучасну науку з ідеями столітньої давнини, вчені стали свідками дивовижного явища, яке раніше вважали можливим тільки в неорганічних оксидах металів, що виникають усередині молекули органічного напівпровідника, що світиться, пише sciencedaily.com.

Відкриття вчених з Кембриджського університету проклало шлях до нового ефективного способу вловлювання світла і його перетворення в електрику. Це також допоможе змінити майбутнє сонячних технологій, йдеться у статті.

Дослідження присвячене спін-радикальному органічному напівпровіднику, відомому як P3TTM. В основі кожної молекули лежить один неспарений електрон, що зумовлює її особливі магнітні та електронні властивості.

Раніше дослідники розробили це сімейство молекул завдяки їхній яскравій люмінесценції, що застосовуються в органічних світлодіодах, але пізніше з'ясувалося, що коли молекули розташовані близько одна до одної, їхні неспарені електрони взаємодіють подібно до електронів в ізоляторі Мотта-Габбарда (ізолятор Мотта-Габбарда — матеріал, що стає діелектриком через сильну міжелектронну взаємодію, а не через звичайну структуру кристалічної решітки.У такому стані електрони "застряють" на одному місці і не можуть вільно переміщатися, втрачаючи здатність проводити електричний струм. Це явище описується в рамках моделі Габбарда і пов'язане із сильним відштовхуванням електронів один від одного, що запобігає їхньому рухові кристалічними ґратами, — прим. ред.).

У більшості органічних матеріалів електрони утворюють пари і не взаємодіють один з одним. Але в даній системі, коли молекули збираються разом, взаємодія між неспареними електронами на сусідніх ділянках спонукає їх шикуватися поперемінно вгору і вниз, що є відмінною рисою поведінки Мотта-Габбарда. Під час поглинання світла один із цих електронів перескакує на найближчого сусіда, створюючи позитивні й негативні заряди, які можуть бути витягнуті та генерувати електрику, пояснили дослідники.

Щоб перевірити цей ефект, було створено сонячний елемент з використанням тонкої плівки P3TTM. Під впливом світла пристрій досяг практично ідеальної ефективності збору заряду, тобто практично кожен вхідний фотон перетворювався на придатний для використання електричний струм. Традиційним органічним сонячним елементам потрібні два матеріали: один для віддачі електронів та інший для їх прийому, і цей інтерфейс обмежує ефективність. Однак нові молекули здійснюють весь процес перетворення в рамках однієї речовини. Після поглинання фотона електрон природним чином переміщається до сусідньої молекули того ж типу, створюючи поділ зарядів. Невелика кількість енергії, необхідна для цього процесу, відома як "U Габбарда", відображає електростатичну вартість розміщення двох електронів на одній негативно зарядженій молекулі.

Вчені розробили молекулярні структури, що дають змогу налаштовувати контакт між молекулами та енергетичний баланс, регульований фізикою Мотта-Хаббарда, необхідний для досягнення поділу зарядів. Це означає, що сонячні елементи, можливо, можна буде виготовляти з одного недорогого і легкого матеріалу.

Відкриття має історичне значення. Це відкриття було зроблено в рік 120-річчя від дня народження Мотта, віддаючи данину поваги легендарному фізику, чиї роботи із взаємодії електронів у невпорядкованих системах заклали основу сучасної фізики конденсованого стану.

Відкриття Невілла Мотта стали основоположними для нашого розуміння напівпровідників. Для вчених бачити, як ці основоположні закони квантової механіки проявляються в абсолютно новому класі органічних матеріалів і як їх можна використовувати для збору світла, — воістину унікальна подія.

Раніше ми писали про те, що в Японії знайшли несподіване застосування 5000 сонячних панелей. Проєкт "Сонячний ковчег" складається з 5000 фотоелементів, які можуть у сукупності генерувати 530 000 кВтг зеленої енергії на рік.