Мировое потребление электроэнергии значительно возросло и будет продолжать расти в ближайшие годы. Для удовлетворения потребностей и в то же время для сохранения окружающей среды все более важной становится электроэнергия из возобновляемых источников энергии. Однако, потенциал существующих фотоэлементов на основе кремния почти полностью исчерпан. Здесь может помочь так называемое синглетное деление.
Когда фотоэлементы преобразуют солнечную энергию в электрическую, то их эффективность очень ограничена. В настоящее время она составляет от 20 до 25%. Для значительного увеличения производительности фотоэлементов и получения большего количества электроэнергии необходимы новые подходы. Решение может быть найдено с помощью физико-химических процессов, которые значительно улучшают эффективность фотоэлементов. Ученые из Флоридского Атлантического университета FAU и научно-исследовательского центра Argonne-Northwestern Solar Energy Research (ANSER) изучили этот подход в совместном исследовательском проекте «Синглетное деление в новых органических материалах — подход к высокоэффективным фотоэлементам» в рамках Инициативы Emerging Fields Initiative (EFI). Ученые исследовали механизм синглетного деления (SF), в котором один фотон возбуждает два электрона.
Принцип синглетного деления был обнаружен около 50 лет назад, но только около десяти лет тому назад ученые из США распознали его потенциал для значительного повышения эффективности органических фотоэлементов. С тех пор исследователи во всем мире работают над тем, чтобы лучше понять основы и механизм этого сложного процесса. Ученые из FAU — профессор Дирк Гулди с кафедры физической химии I, профессор Рик Тыкински с кафедры органической химии I (сейчас: Университет Альберты, Канада), профессор д-р Майкл Тосс, профессор кафедры теоретической физики твердого тела (сейчас: Университет Альберта-Людвига в Фрайбурге) и профессор д-р Тим Кларк из Computer-Chemie-Centrum (CCC) и ее коллега профессор Майкл Вазилевски из ANSER-Center смогли прояснить некоторые важные вопросы о синглетном делении.
Когда фотон из солнечного света попадает в молекулу и поглощается там, то он поднимает электрон до более высокого энергетического уровня. Таким образом, органическая молекула переходит в состояние более высокой энергии за счет поглощения фотона. Из этой энергии, временно сохраненной в молекуле, в фотоэлементах может добываться электрический ток.
В обычных фотоэлементах в оптимальном случае на один фотон генерируется один электрон в качестве носителя тока. С другой стороны, если использовать димеры избранных химических соединений, то на смежных молекулах в состояние более высокой энергии могут быть переведены одновременно два электрона. Таким образом, один фотон генерирует два возбужденных электрона, которые, в свою очередь, могут быть использованы для выработки электроэнергии. Этот процесс называется синглетным делением и может привести в оптимальном случае к значительному повышению производительности фотоэлементов. Механизм, лежащий в его основе, более подробно изучается химиками и физиками из FAU и ANSER Center.
В своем исследовании ученые сначала подготовили димер из двух пентаценовых молекул. Этот углеводород считается перспективным кандидатом на использование синглетного деления в фотоэлементах. Впоследствии они облучали жидкость светом и исследовали фотофизические процессы в молекуле различными спектроскопическими методами.
При этом исследователи смогли сделать три вывода о механизме внутримолекулярного синглетного деления. Во-первых, они смогли доказать, что для высокой эффективности синглетного деления необходима связь с энергетически более высоким зарядово-поляризованным состоянием. Кроме того, они проверили модель синглетного деления, которую они же недавно создали и опубликовали. И на третьем и последнем этапе они продемонстрировали очевидную зависимость эффективности синглетного деления от силы связи между двумя пентаценовыми субмолекулами. Однако дальнейшие фундаментальные исследования еще не завершены.
Исследование было опубликовано под названием «Evidence for Charge-Transfer Mediation in the Primary Events of Singlet Fission in a Weakly Coupled Pentacene Dimer» в: Chem.
Источник: https://www.industr.com/de/leistung-von-solarzellen-steigern-2336136