Расщепление синглетов повысит эффективность солнечных элементов на 30%

Расщепление синглета (singlet fission) это процесс, при котором один фотон порождает два возбужденных состояния. Его использование может обеспечить 30% повышение эффективности солнечных батарей, удвоение чувствительности фотодетекторов и значительное уменьшение расхода энергии осветительными приборами.

Состоянию дел в области практической реализации расщепления синглетных экситонов посвящена обзорная статья, опубликованная химиками из Калифорнийского университета в Риверсайде в журнале Journal of Physical Chemistry Letters.

В настоящее время солнечные элементы действуют, поглощая фотон, который генерирует экситон, в свою очередь распадающийся на электрон и дырку. Максимальная эффективность такого процесса ограничена так называемым пределом Шокли-Квейссера, и составляет около 32%. От будущего, «третьего поколения» солнечных батарей ждут преодоления этого предела благодаря использованию новых процессов, одним из которых и является расщепление синглетов.

Экситоны, порождаемые фотоном, могут быть двух типов, в зависимости от спина: синглетные — с нулевым (парным) спином, и триплетные — с непарным. В органических полупроводниках эти два типа экситонов различаются по уровню энергии. Если триплетный экситон обладает половиной энергии синглета, становится возможен распад одиночного синглета, созданного фотоном, на два триплетных экситона. Таким образом получается удвоение количества экситонов, а значит и электронов, при неизменном количестве поглощенных фотонов.

Для поглощения фотона его энергия должна быть больше, запрещенной зоны полупроводника, и эта разница обычно бесполезно выделяется в виде тепла. Если добиться того, чтобы высокоэнергетичный экситон распадался распределяя свою энергию между двумя триплетными экситонами, подобных тепловых потерь можно избежать.

Механизм спонтанного расщепления синглетных экситонов на триплеты все еще недостаточно изучен, однако известно, что такой распад происходит очень быстро (менее чем за наносекунду) и с высокой эффективностью.

Новая работа показала, что этот процесс очень чувствителен к взаимному расположению двух (как минимум) молекул, вовлекаемых в синглетное расщепление. Этот эффект позволил сотрудникам MIT продемонстрировать органическую фотоэлектронную батарею с более чем 100% внешней квантовой эффективности.

Авторы открытия полагают возможным применить данный эффект также для усовершенствования неорганических полупроводников. Помимо этого, ведутся поиск новых материалов, демонстрирующих синглетное расщепление, и исследование влияния на экситонную динамику спиновых свойств электронов.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI