Ekip, yaklaşık %130 kuantum verimliliğine ulaşarak güneş enerjisi dönüşümünde uzun süredir geçerli kabul edilen fiziksel sınırı aşmayı başardı. Yakın zamanda yayınlanan çalışma, gelecekte geliştirilecek güneş hücreleri için önemli bir kavramsal kanıt niteliği taşıyor.

Shockley–Queisser sınırı aşıldı

Klasik güneş hücreleri, Shockley–Queisser limiti olarak bilinen teorik bir üst sınıra tabidir. Bu sınıra göre, her bir foton en fazla bir elektronu uyarabilir. Düşük enerjili (kızılötesi) fotonlar elektronları harekete geçiremezken, yüksek enerjili fotonlar (mavi ışık gibi) ise fazla enerjilerini ısı olarak kaybeder. Bu nedenle gelen güneş enerjisinin yalnızca yaklaşık üçte biri kullanılabilir.

Ekip bu sınırı aşmak için “tekil fisyon” adı verilen kuantum mekaniksel bir süreci kullandı. Bu süreçte tek bir yüksek enerjili eksiton, iki daha düşük enerjili üçlü eksitona ayrılıyor. Ancak burada en büyük zorluk, oluşan bu ekstra eksitonların enerji kaybına uğramadan yakalanabilmesi. Çünkü Förster rezonans enerji transferi (FRET) gibi rekabetçi mekanizmalar, bu enerjiyi hızla sönümleyebiliyor.

Araştırma ekibinden doçent Yoichi Sasaki, bu sorunu çözmek için fisyon sonrası oluşan üçlü eksitonları seçici şekilde yakalayabilecek bir enerji alıcısına ihtiyaç duyduklarını belirtiyor.

Molibden tabanlı yeni yaklaşım

Ekip, çözüm olarak “spin-flip yayıcısı” olarak adlandırılan molibden bazlı bir metal kompleks geliştirdi. Bu yapıda elektron, yakın kızılötesi ışığın soğurulması veya yayılması sırasında spin değiştiriyor ve böylece tekil fisyon sonucu ortaya çıkan üçlü enerjiyi verimli şekilde yakalayabiliyor.

Enerji seviyelerinin hassas biçimde ayarlanması sayesinde, istenmeyen enerji transfer süreçleri baskılandı ve çoğaltılan eksitonlar başarılı şekilde elde edildi. Tetrasen temelli organik malzemelerle birlikte kullanıldığında sistem yaklaşık %130 kuantum verimi sağladı. Bu da her bir foton için ortalama 1,3 uyarılmış molekül elde edildiği anlamına geliyor. Teorik olarak bu yöntemin üst sınırı ise %200 olarak hesaplanıyor.

Ayrıca Bkz.Alman füzyon girişimi gelişmiş lazer teknolojisini savunmaya taşıyor

Araştırmacılar, elde edilen sonuçların henüz erken aşamada olduğunun altını çiziyor. Deneyler şu ana kadar çözelti ortamında gerçekleştirildi. Bir sonraki adım ise bu yaklaşımı katı hal sistemlerine uyarlayarak gerçek güneş hücrelerine entegre etmek olacak.

Bununla birlikte bu teknolojinin yalnızca güneş panelleriyle sınırlı kalmayabileceği, LED’ler ve kuantum teknolojileri gibi farklı alanlarda da kullanılabileceği ifade ediliyor.