Singletové dělení: 130% kvantový výnos panelů

Překonání Shokly-Kvisseryho limitu: jednovýstupové dělení s kvantovým výtěžkem 130 %

V křemíkových fotovoltaických článcích pohlcení fotonu aktivuje jeden elektron podle pravidla "jeden na jeden" Shokly-Kvisseryho limitu. Infračervené fotony s nízkou energií nevytvářejí nosiče náboje. Vysokoenergetické fotony (modrý a UV rozsah) ztrácejí přebytečnou energii ve formě tepla kvůli parazitnímu ohřevu.

Maximální účinnost takových systémů dosahuje přibližně 33 %. Klíčovým bariérem je neschopnost přeměny jednoho fotonu na více excitonů bez ztrát.

Mechanismus jednovýstupového dělení

Jednovýstupové dělení (Singlet Fission) umožňuje obejít tento omezení. Vysokoenergetický foton v organickém materiálu (tetracen) vytvoří singuletní exciton, který se rozpadne na dva triplétové excitony s nižší energií.

Teoretický limit kvantového výtěžku je 200 %. Praktický problém: triplétové excitony jsou náchylné k FRET – rezonančnímu přenosu energie, který soutěží s výběrem náboje.

• Singuletní exciton: vysoká energie, nestabilní stav.
• Triplétové excitony: dva nízkoenergetické, spinově zakázané pro přímé záření.
• FRET: parazitní proces, který rozptyluje energii před jejím zachycením.

Emisér s obratem spinu na bázi molybdenu

Řešením je metalokomplex molybdenu, který selektivně zachycuje triplétové excitony. Přijetím energie se elektron změní ve svém spinu, obejdeme tak zakázání přenosu.

Systém tetracenu + molybdenový emisér je energeticky laděn pro potlačení FRET. Výsledek: z 10 fotonů vznikne 13 vzrušených komplexů (130% výtěžek).

Docent Yoiti Sasaki: akceptor energie ignoruje FRET a soustředí se na tripletů hned po dělení.

Experiment a výsledky

Proof-of-concept byl proveden v roztoku. Kvantový výtěžek byl měřen spektroskopicky: kompletní potlačení ztrát, efektivní využití triplétů.

Srovnání:

| Parametr | Běžný systém | S jednovýstupovým dělením |

|----------|---------------------|-----------------------|

| Kvantový výtěžek | ≤100 % | 130 % |

| Ztráty na FRET | Významné | Potlačeny |

| Ohřev | Vysoký (přebytečná E) | Minimální |

Perspektivy integrace a použití

Dalším krokem je přechod na pevné látky pro reálné panely. Integrace molekulárních násobičů zvýší účinnost bez zvětšení plochy.

Další aplikace:

• Extrémně jasné OLED displeje díky efektivnímu využití triplétů.
• Kvantové zařízení s kontrolou spinových stavů.
• Hybridní fotovoltaické systémy s organickými vrstvami.

Projekt zahájil student Adrian Zauer, který spojil odbornosti Japonska a Německa.

Důležité informace

• Dosažen kvantový výtěžek 130 % díky jednovýstupovému dělení a spinovému obratu emisérů.
• Kompletní potlačení FRET umožňuje využití násobených excitonů.
• Technologie je vhodná pro pevné sluneční články i OLED.
• Proof-of-concept v roztoku; cílem je integrace do panelů nové generace.
• Překonání Shokly-Kvisseryho limitu mění základní rámce fotoniky.

— Editorial Team