Güneş Pili Verimliliğinde Yeni Bir Atılım: Kuantum Verimi %130'a Ulaştı

Bunun kuantum düzeyinde bir enerji getirisi olduğunu belirtmek önemlidir; yani güneş ışığını yüzde 130 oranında elektriğe dönüştüren bir güneş panelinden bahsetmiyoruz. Ancak bu çığır açan gelişme, sistem tarafından emilen her foton başına belirli bir olayın ne sıklıkla gerçekleştiği açısından bir verimlilik artışıdır.

Yüzde 100'lük engeli aşmak için yeni yaklaşım, gelen tek bir ışık fotonundan elde edilen enerjiyi ikiye bölüyor ve bu enerji, alıcı malzemedeki iki uyarılmış durumu (eksitonlar olarak bilinir) besliyor.

Bu, singlet fisyonu olarak bilinen bir süreçtir ve araştırmanın arkasındaki uluslararası ekibin açıkladığı gibi, fazla enerjinin ısı olarak kaybolmasını önler.

Bu kayıp, güneş pillerinin genel verimlilik açısından genellikle yüzde 33 civarında bir üst sınıra ulaşmasının nedenlerinden biridir; bu sınır, Shockley-Queisser sınırı olarak bilinir.

Japonya'daki Kyushu Üniversitesi'nden kimyager Yoichi Sasaki, “Bu sınırı aşmak için iki ana stratejimiz var,” diyor.

“Bunlardan biri, düşük enerjili kızılötesi fotonları yüksek enerjili görünür fotonlara dönüştürmektir. Diğeri ise, burada araştırdığımız, tekli fisyonu kullanarak tek bir eksiton fotonundan iki eksiton üretmektir.”

Araştırmacılar, burada tekli fisyonun gerçekleşebilmesi için ayrıştırma maddesi olarak tetracen adlı organik bir molekül kullandılar. Bu molekülün özellikleri, elektron uyarımı yoluyla yüksek enerjili bir paketi iki düşük enerjili pakete ayırmaya elverişlidir.

Ancak singlet fisyonu tamamen yeni bir kavram değildir ve buradaki hikayenin sadece yarısını oluşturur. Önceki deneylerdeki en büyük engel, enerji kaybolmadan veya başka bir yere aktarılmadan önce singlet fisyonuna çalışması için yeterli zaman tanımaktı.

İşte burada, yine özel özellikleri nedeniyle seçilen metalik element molibden devreye giriyor. Ekip, molibdeni tetrasen ile karıştırarak, bölünmüş eksitonları molibden bileşiğinde yakalayabildi.

En küçük kuantum düzeyinde, molibden, spin-flip yayıcı olarak işlev görür. Önce enerjiyi hapseder, ardından kuantum spin-flip kullanarak görünmez durumları ışığa dönüştürür. Bu, ekibe çığır açan bir sonuç verdi: emilen her foton başına 1,3 molibden bazlı metal kompleksi uyarıldı.

Sasaki, “Enerji, çoğalma gerçekleşmeden önce Förster rezonans enerji transferi (FRET) adı verilen bir mekanizma tarafından kolayca ‘çalınabilir’,” diyor.

“Bu nedenle, bölünmeden sonra çoğalmış üçlü eksitonları seçici olarak yakalayan bir enerji alıcısına ihtiyacımız vardı.”

Bunların henüz erken aşamadaki laboratuvar testleri olduğunu tekrar vurgulamak gerekir. Bir sonraki adım, burada kullanılan sıvı çözeltiyi, güneş paneline güvenilir ve etkili bir şekilde takılabilecek katı bir forma dönüştürmektir – ki araştırmacıların kendileri de bunun oldukça zorlu bir görev olacağını kabul ediyor.

Ayrıca, molibden komplekslerinin enerjiyi ilk etapta yakalamanın yanı sıra, yararlı olabilecek kadar uzun süre tutabilmesi sorunu da var. Bu “bozunma süreci” de çalışmanın ele aldığı bir başka konudur.

Ancak, bu gelecekteki pratik endişeler, araştırmanın heyecanını gölgelememelidir: Çalışma, günümüzün verimlilik sınırlarının ötesine geçebilecek güneş panellerine giden yolu açıkça ortaya koymaktadır ve bu kavram kanıtlamasının ileride geliştirilip denenebileceği birçok yol bulunmaktadır.

Güneş enerjisi, fosil yakıtlara olan bağımlılığımızı azaltmanın ve iklim değişikliğini yavaşlatmanın hayati bir parçası olduğundan, güneş panellerindeki dönüşüm oranlarını önemli ölçüde iyileştirebilmek, özellikle yeni enerji depolama mekanizmalarıyla birleştirildiğinde, enerji endüstrisi için potansiyel olarak dönüştürücü bir etki yaratabilir.

Araştırmacılar makalelerinde, “Bu çalışma, singlet fisyon malzemelerini geçiş metali kompleksleriyle birleştirerek eksiton/foton amplifikasyon malzemeleri geliştirmeye yönelik önemli bir adımdır ve singlet fisyonun uygulamasını geleneksel sınırların ötesine taşır,” diye yazıyor.