Исследователи создали новый материал, который преодолевает два основных препятствия на пути использования солнечной энергии: он поглощает всю энергию, содержащуюся в солнечном свете, и генерирует электроны таким образом, что их легче улавливать.
Химики из Университета штата Огайо и их коллеги объединили электропроводящий пластик с металлами, включая молибден и титан, чтобы создать гибридный материал.
«Есть и другие подобные гибриды, но преимущество нашего материала в том, что мы можем покрыть весь диапазон солнечного спектра», - объяснил Малкольм Чизхолм, заслуженный профессор университета и заведующий кафедрой химии в Огайо. Состояние.
Солнечный свет содержит в себе весь спектр цветов, которые можно увидеть невооруженным глазом - все цвета радуги. То, что наши глаза интерпретируют как цвет, на самом деле является разными энергетическими уровнями или частотами света. Современные материалы для солнечных батарей могут улавливать только небольшой диапазон частот, поэтому они могут улавливать лишь небольшую часть энергии, содержащейся в солнечном свете.
Этот новый материал является первым, способным одновременно поглощать всю энергию, содержащуюся в видимом свете.
Материал вырабатывает электричество точно так же, как и другие материалы для солнечных батарей: свет возбуждает атомы материала, и часть электронов в этих атомах выбивается.
В идеале электроны вытекают из устройства в виде электрического тока, но именно здесь у большинства солнечных элементов возникают проблемы. Электроны остаются свободными только крошечную долю секунды, прежде чем они снова погружаются в атомы, из которых они произошли. Электроны должны быть захвачены в течение короткого времени, пока они свободны, и эта задача, называемая разделением зарядов, трудна.
В новом гибридном материале электроны остаются свободными намного дольше, чем когда-либо прежде.
Чтобы разработать гибридный материал, химики исследовали различные молекулярные конфигурации на компьютере в Суперкомпьютерном центре Огайо. Затем с коллегами из Национального Тайваньского университета они синтезировали молекулы нового материала в жидком растворе, измерили частоты света, поглощаемого молекулами, а также измерили время, в течение которого возбужденные электроны оставались свободными в молекулах.
Они увидели что-то очень необычное. Молекулы не просто флуоресцировали, как это делают некоторые материалы для солнечных батарей. Они тоже фосфоресцировали. Оба световых эффекта вызваны тем, что материал поглощает и излучает энергию, но фосфоресценция длится гораздо дольше.
К своему удивлению, химики обнаружили, что новый материал испускает электроны в двух различных энергетических состояниях - одно называется синглетным, а другое - триплетным. Оба энергетических состояния полезны для приложений солнечных элементов, и триплетное состояние длится намного дольше, чем синглетное.
Электроны в синглетном состоянии оставались свободными до 12 пикосекунд, или триллионных долей секунды, что не является чем-то необычным по сравнению с некоторыми материалами для солнечных элементов. Но электроны в триплетном состоянии оставались свободными в 7 миллионов раз дольше - до 83 микросекунд, или миллионных долей секунды.
Когда они поместили молекулы в тонкую пленку, подобно тому, как они могут быть расположены в реальном солнечном элементе, триплетные состояния длились еще дольше: 200 микросекунд.
«Это долгоживущее возбужденное состояние должно позволить нам лучше управлять разделением зарядов», - сказал Чисхолм.
На данный момент материал находится в стадии коммерческой разработки, но он добавил, что этот эксперимент служит доказательством концепции, что гибридные материалы для солнечных элементов, такие как этот, могут обладать необычными свойствами.
Проект финансировался Национальным научным фондом и Институтом исследования материалов штата Огайо.
Чизхолм работает с Артуром Дж. Эпштейн, заслуженный профессор химии и физики университета; Пол Бергер, профессор электротехники, вычислительной техники и физики; и Нитин Падчер, профессор материаловедения и инженерии, для дальнейшей разработки материала. Эта работа является частью инициативы Advanced Materials Initiative, одной из программ штата Огайо по целевым инвестициям в совершенство (TIE).
Программа TIE направлена на решение некоторых из самых насущных проблем общества, при этом основные ресурсы университетов вкладываются в программы, которые могут оказать значительное влияние в их областях. Университет выделил более 100 миллионов долларов в течение следующих пяти лет на поддержку 10 высокоэффективных, в основном междисциплинарных программ.
Соавторами статьи PNAS из штата Огайо были: Готард Бурдзинский, научный сотрудник с докторской степенью; Йи-Сюань Чжоу, научный сотрудник с докторской степенью; Флориан Фил, бывший научный сотрудник с докторской степенью; Джудит Галлуччи, старший научный сотрудник; Ягнасени Гош, аспирант; Терри Густафсон, профессор; Яо Лю, исследователь с докторской степенью; Рамкришна Рамнаут, бывший исследователь с докторской степенью; и Клаудия Турро, профессор; всего химического факультета. Они сотрудничали с Пи-Тай Чоу и Мэй-Лин Хо из Национального тайваньского университета.