Fizik Kurallarını Yeniden Yazan Buluş: Güneş Panellerinde %130 Verim Dönemi Başlıyor!

Fizik Kurallarını Yeniden Yazan Buluş: Güneş Panellerinde %130 Verim Dönemi Başlıyor!

Japon araştırmacılar, güneş paneli verimliliğini %130'a varan oranda artıracak bir "spin-flip" malzemesi geliştirdi

• Spin-flip metal kompleksleri, singlet fisyonu yoluyla üretilen çoğaltılmış eksitonları yakalıyor

• Kavram kanıtlama deneylerinde, %110'un üzerinde ve yaklaşık %130'a varan kuantum verimi elde edildi

• Pratik güneş enerjisi cihazlarında kullanılmadan önce, katı hal entegrasyonunun tamamlanması gerekiyor

Japon araştırmacılar; dönüşüm süreci sırasında ısı kayıplarını azaltan, metal tabanlı bir sistem kullanarak güneş ışığından fazladan enerji yakalamanın bir yolunu buldu.

Bu çalışma; molibdenden inşa edilmiş ve "singlet fisyonu" adı verilen bir süreç sırasında ortaya çıkan çoğaltılmış enerjiyi yakalayan, "spin-flip yayıcı" olarak bilinen kimyasal bir yapı üzerinde yoğunlaşıyor.

Araştırma, Japonya'daki Kyushu Üniversitesi tarafından, Almanya'daki Johannes Gutenberg Üniversitesi (JGU) Mainz ile iş birliği içinde yürütüldü. Araştırmanın bulguları, Journal of the American Chemical Society dergisinde yayımlandı.

Enerji kolayca 'çalınıyor'

Güneş hücreleri halihazırda güneş ışığını elektriğe dönüştürebiliyor; ancak mevcut enerjinin yalnızca bir kısmı kullanılabilir hale geliyor. Bu durum, bilim insanlarını aynı gelen ışıktan daha fazla çıktı elde etmenin yollarını aramaya yöneltiyor.

Uzun zamandır bilinen bir sınırlama, foton enerjileri ile yarı iletkenlerin bunlara verdiği tepki arasındaki uyumsuzluktan kaynaklanıyor; bu da, bazı fotonların elektronları harekete geçirmekte başarısız olduğu, diğerlerinin ise fazla enerjilerini ısı olarak kaybettiği anlamına geliyor.

Shockley-Queisser limiti olarak bilinen bu verimlilik sınırı, araştırmacıları enerjinin dağılmasına izin vermek yerine, kayıp enerjiyi yeniden kullanmanın yollarını araştırmaya itmiştir.

Kyushu Üniversitesi Mühendislik Fakültesi'nde Doçent olan Yoichi Sasaki, “Bu sınırı aşmak için iki ana stratejimiz var,” dedi. “Birincisi, düşük enerjili kızılötesi fotonları daha yüksek enerjili görünür fotonlara dönüştürmek. Diğeri ise, burada araştırdığımız gibi, tek bir eksiton fotonundan iki eksiton üretmek için SF kullanmaktır.”

Araştırmacılar tarafından ışık dönüşümü için “rüya teknolojisi” olarak tanımlanan tekli fisyon, deneyde merkezi bir rol oynuyor çünkü yüksek enerjili bir uyarımın iki düşük enerjili uyarıma bölünmesine izin vererek, teorik olarak kullanılabilir enerji taşıyıcılarının sayısını ikiye katlıyor.

Bu kopyalanmış eksitonları yakalamak daha zor bir problem oldu, çünkü rakip enerji transfer süreçleri, enerji kullanışlı hale gelmeden önce onu yeniden yönlendirebiliyor.

Ekip, bu darboğazı, tekli fisyon malzemelerini, belirli üçlü enerji durumlarını absorbe edecek şekilde ayarlanmış molibden bazlı yakın kızılötesi spin-flip yayıcı ile eşleştirerek çözdü.

Sasaki, “Enerji, çoğalma gerçekleşmeden önce Förster rezonans enerji transferi (FRET) adı verilen bir mekanizma ile kolayca ‘çalınabilir’” dedi. “Bu nedenle, fisyondan sonra çoğalmış üçlü eksitonları seçici olarak yakalayan bir enerji alıcısına ihtiyacımız vardı.”

Çözeltide tetrasen bazlı malzemeler kullanılarak yapılan deneyler, %110'un biraz üzerinde ile yaklaşık %130 arasında değişen kuantum verimleri üretti; bu da laboratuvar koşullarında absorbe edilen gelen fotonlardan daha fazla enerji taşıyıcısının üretildiği anlamına geliyor.

Sonuçlar, tam güneş enerjisi cihazlarından ziyade çözelti testleriyle sınırlı kalmaktadır; bu da pratik uygulamanın hala kimyanın çalışan panellerle uyumlu katı malzemelere dönüştürülmesine bağlı olduğu anlamına gelir.

Gelecekteki çalışmalar, bu malzemeleri katı hal sistemlerinde birleştirmeye odaklanacak ve enerji transfer verimliliği, gerçek güneş pili çalışmasına daha yakın koşullar altında test edilebilecektir.

Araştırmacılar, güneş panellerinin ötesinde, eksiton davranışının yönetilmesinin performansta kilit rol oynadığı OLED gibi aydınlatma teknolojileri de dahil olmak üzere olası uygulamalara işaret ediyor.

Kaynak: TR