Japon araştırmacılar, güneş paneli verimliliğini %130'a kadar artırmak için spin-flip malzemesi geliştirdi

Japon araştırmacılar, güneş paneli verimliliğini %130'a kadar artırmak için spin-flip malzemesi geliştirdi

• Spin-flip metal kompleksleri, tekli fisyon yoluyla üretilen çiftlenmiş eksitonları yakalıyor

• Kavram kanıtı deneyleri, %110'un üzerinde ve yaklaşık %130 kuantum verimine ulaştı

• Pratik güneş enerjisi cihazlarında kullanılmadan önce katı hal entegrasyonu hala gerekli

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

Çalışma, tekli fisyon adı verilen bir işlem sırasında oluşturulan katlanmış enerjiyi yakalayan, molibdenden yapılmış spin-flip yayıcı olarak bilinen bir kimyasal yapıya odaklanıyor.

Araştırma, Japonya'daki Kyushu Üniversitesi tarafından, Almanya'daki Johannes Gutenberg Üniversitesi (JGU) Mainz ile işbirliği içinde gerçekleştirildi. Bulgular, Amerikan Kimya Derneği Dergisi'nde yayınlandı.

Kolayca ‘Çalınan’ Enerji

Güneş pilleri zaten güneş ışığını elektriğe dönüştürüyor, ancak mevcut enerjinin sadece bir kısmı kullanılabilir hale geliyor; bu da bilim insanlarını aynı gelen ışıktan daha fazla çıktı elde etmenin yollarını aramaya itiyor.

Uzun zamandır bilinen bir sınırlama, foton enerjileri ile yarı iletkenlerin tepki verme biçimi arasındaki uyumsuzluktan kaynaklanıyor; bu da bazı fotonların elektronları tetikleyememesi, diğerlerinin ise fazla enerjiyi ısı olarak kaybetmesi anlamına geliyor.

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

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 kullanmak.”

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 olanak tanıyarak teorik olarak kullanılabilir enerji taşıyıcılarının sayısını ikiye katlıyor.

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

Çözelti içinde tetrasen bazlı malzemeler kullanılarak yapılan deneyler, %110'un biraz üzerinde ile yaklaşık %130 arasında değişen kuantum verimleri üretti; bu da laboratuvar koşullarında emilen 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 burada enerji transfer verimliliği, gerçek güneş pili çalışmasına daha yakın koşullar altında test edilebilecektir.

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

Kaynak: TRP