Bilim insanları, güneş hücrelerinin verimliliğini, yani mevcut güneş ışığının ne kadarının elektriğe dönüştürüldüğünü sürekli olarak geliştirme çabasındalar. Bu alanda yapılan yeni bir yaklaşım, şaşırtıcı bir şekilde %130'luk bir kuantum verimi ile sonuçlandı.
Bu oranın kuantum düzeyinde bir enerji dönüşümü olduğunu belirtmek önemlidir. Yani, bir güneş panelinin güneş ışığını %130 oranında elektriğe dönüştürdüğü anlamına gelmiyor. Ancak bu atılım, sistem tarafından absorbe edilen her foton başına belirli bir olayın ne sıklıkla gerçekleştiği açısından bir verimlilik artışı sağlıyor.
Bu %100'lük sınırın aşılabilmesi için, yeni yaklaşım tek bir gelen ışık fotonundan elde edilen enerjiyi ikiye bölerek, alıcı malzemedeki iki uyarılmış durumu (ekziton olarak bilinir) besliyor.
Bu sürece singlet fisyonu adı veriliyor ve araştırmayı yürüten uluslararası ekip tarafından açıklandığı üzere, fazla enerjinin ısı olarak kaybolmasını engelliyor.
Bu kaybın, güneş hücrelerinin genel verimlilikte tipik olarak %33 civarında sınırlı kalmasının nedenlerinden biri olduğunu ve bu durumun Shockley-Queisser limiti olarak bilindiğini de eklemek gerekir.
Bu limiti aşmak için iki ana stratejileri olduğunu belirten araştırmacılar, bunlardan birinin düşük enerjili kızılötesi fotonları daha yüksek enerjili görünür fotonlara dönüştürmek olduğunu, kendilerinin ise bu çalışmada tek bir fotondan iki ekziton üreterek singlet fisyonunu kullanmayı araştırdıklarını ifade ediyorlar.
Araştırmacılar, singlet fisyonunun gerçekleşebilmesi için tetrasen adı verilen organik bir molekülü kullandılar. Bu molekülün özellikleri, elektron uyarılması yoluyla yüksek enerjili bir paketi iki düşük enerjili pakete bölmek için uygunluğunu sağlıyor.
Singlet fisyonu tamamen yeni bir konsept olmasa da, bu hikayenin sadece yarısı. Önceki deneylerde karşılaşılan büyük bir engel, enerjinin kaybolmadan veya başka yere aktarılmadan önce singlet fisyonunun çalışması için yeterli zamanı tanımaktı.
İşte burada, yine kendine özgü özellikleri nedeniyle seçilen metalik element molibden devreye giriyor. Tetrasen ile molibdeni birleştirerek, ekip bölünen ekzitonları molibden bileşiğinde yakalayabildi.
En küçük kuantum düzeyinde, molibden 'spin-flip emitter' olarak adlandırılan bir işlev görüyor. İlk olarak enerjiyi kilitliyor, ardından görünmez durumları ışığa dönüştürmek için kuantum spin-flip'ini kullanıyor. Bu da ekibe inanılmaz bir sonuç verdi: Absorbe edilen her foton başına 1.3 molibden bazlı metal kompleksi uyarıldı.
Araştırmacılar, fisyon oluşmadan önce enerjinin Förster rezonans enerji transferi (FRET) adı verilen bir mekanizma tarafından kolayca 'çalınabileceğini' belirtiyor. Bu nedenle, fisyondan sonra çoğaltılmış triplet ekzitonlarını seçici olarak yakalayan bir enerji alıcısına ihtiyaç duyulduğunu ekliyorlar.
Bu çalışmaların henüz erken laboratuvar testleri olduğunu vurgulamak gerekir. Bir sonraki adımlar, burada kullanılan sıvı çözeltiyi, bir güneş paneline güvenilir ve etkili bir şekilde takılabilecek katı bir forma dönüştürmek olacak. Araştırmacılar da bunun oldukça zorlu bir görev olacağını kabul ediyor.
Ayrıca, molibden komplekslerinin enerjiyi kullanışlı olana kadar yeterince uzun süre tutması ve onu ilk etapta yakalaması gibi sorunlar da mevcut. Bu 'bozunma süreci' de çalışmanın ele aldığı başka bir konu.
Ancak, bu gelecekteki pratik endişeler, araştırmanın heyecanını gölgelememeli. Bu çalışma, günümüzün verimlilik sınırlarının ötesine geçebilecek güneş panelleri geliştirme yolunda açıkça bir yol çiziyor ve bu kavram kanıtının ileride ayarlanıp denenebileceği birden çok yol bulunuyor.
Güneş enerjisinin fosil yakıtlara olan bağımlılığımızı azaltmadaki ve iklim değişikliğini yavaşlatmadaki hayati rolü göz önüne alındığında, güneş panellerindeki dönüşüm oranlarını önemli ölçüde iyileştirebilmek, enerji sektörü için potansiyel olarak dönüştürücü olacaktır, özellikle yeni enerji depolama mekanizmaları ile birleştiğinde.
Araştırmacılar, çalışmalarının singlet fisyonu malzemelerini geçiş metali kompleksleriyle birleştirerek ekziton/foton amplifikasyon malzemeleri geliştirme yolunda önemli bir adım temsil ettiğini ve singlet fisyonunun geleneksel sınırlamaların ötesine taşınmasını ilerlettiğini ifade ediyorlar.
Bu araştırma, Amerikan Kimya Derneği Dergisi'nde yayımlandı.
