Materiał P3TTM ma zdolność samodzielnego wykonywania wszystkich funkcji, których oczekujemy od panelu słonecznego.
W czasach, gdy energia odnawialna zaczyna nabierać tempa, stworzenie lekkich, wydajnych i tanich paneli słonecznych jest bez wątpienia „świętym Graalem” współczesnych badań naukowych. Teraz naukowcy z Uniwersytetu Cambridge odkryli sekret kwantowy ukryty od ponad wieku, którego wyniki mogą całkowicie zmienić sposób, w jaki przechwytujemy i przekształcamy światło słoneczne w energię elektryczną.
Nieoczekiwane.
Postęp wynika z zjawiska kwantowego zaobserwowanego w materiale organicznym zwanym P3TTM, cząsteczce o spinie, czyli posiadającej pojedynczy elektron, który nie jest sparowany z pozostałymi, co można określić jako „antyspołeczne”. Materiał ten jest zwykle wykorzystywany w technologiach emitujących światło organiczne (takich jak diody LED) ze względu na swoją intensywną jasność i stabilność chemiczną.
Zaskakujące w tym przypadku jest to, że gdy wiele z tych cząsteczek grupuje się w cienką warstwę, ich niesparowane elektrony oddziałują ze sobą w bardzo szczególny sposób. Zamiast ignorować się nawzajem, ustawiają się one w naprzemiennym układzie (góra-dół), co jest zachowaniem kwantowym znanym jako izolator Mott-Hubbarda, które do tej pory kojarzono głównie z tlenkami metali nieorganicznych.
Biwen Li, główna badaczka w Laboratorium Cavendish, opisuje to jako „prawdziwą magię”. Po pochłonięciu światła jeden z tych elektronów przeskakuje do sąsiedniej cząsteczki, tworząc natychmiast ładunek dodatni i ujemny. Te oddzielone ładunki są w istocie energią elektryczną gotową do zebrania.
Rewolucja.
Większość obecnych organicznych paneli słonecznych działa jak kanapka. Potrzebują dwóch różnych materiałów: jednego, który „oddaje” elektrony pod wpływem światła, i drugiego, który je „przyjmuje”. To połączenie, czyli heterozłącze, ma fundamentalne znaczenie, ale jest również źródłem nieefektywności, ponieważ znacznie komplikuje produkcję urządzeń.
Odkrycie z Cambridge zmienia wszystko. P3TTM samodzielnie realizuje cały proces. Nie potrzebuje partnera. Rozdzielenie ładunku następuje między identycznymi cząsteczkami, w procesie zwanym „homojungcją”, co otwiera drzwi do wydajności, która była celem wielu badań energetycznych.
Jak to działa.
Jeśli przyjrzymy się stronie technicznej, dowiemy się, że folie P3TTM są wytwarzane za pomocą technik odparowania termicznego i hermetyzowane w celu ochrony. Analizy spektroskopowe w czasie pokazują dwa emitery: jeden przy 645 nm z powodu ekscytonu rodnika, a drugi z opóźnioną emisją i przesunięciem w kierunku czerwieni (~800 nm), przypisywanym rekombinacji par ładunków rozdzielonych po procesie transferu ładunku.
Wydajność zbierania przy polaryzacji odwrotnej osiąga 100%, co oznacza, że praktycznie każdy foton zamienia się w elektron, który można wykorzystać do wytworzenia prądu, co nigdy wcześniej nie zostało osiągnięte w przypadku materiałów organicznych.
Test. Aby to sprawdzić, zespół zbudował ogniwo słoneczne z cienką warstwą P3TTM i po oświetleniu osiągnął wydajność zbierania ładunku bliską 100%. Oznacza to, że prawie każdy foton światła padający na materiał zamieniał się w użyteczny prąd elektryczny.
Historia.
Teoria, na której opiera się to odkrycie, czyli teoria izolatorów Mott-Hubbarda, została opracowana przez Sir Nevilla Motta, giganta fizyki materii skondensowanej. Obecnie wyniki badań przeprowadzonych w Cambridge zostały opublikowane w 120. rocznicę urodzin Motta, oddając hołd dziedzictwu człowieka, który położył podwaliny pod zrozumienie zjawisk elektronicznych w półprzewodnikach, z których obecnie możemy korzystać.
Przyszłość.
To nie jest tylko mały postęp. To zmiana paradygmatu. „Nie poprawiamy po prostu starych projektów” – twierdzi profesor Bronstein. „Piszemy nowy rozdział w podręcznikach, pokazując, że materiały organiczne mogą same generować ładunki” – zauważa.
Konsekwencje, które teraz zobaczymy, mogą być ogromne. Być może stoimy u progu narodzin nowej generacji technologii słonecznej: paneli wykonanych z jednego materiału, niedrogich, lekkich i elastycznych, które można by zintegrować z każdą powierzchnią, od okien po ubrania. Do stworzenia produktu komercyjnego pozostaje jeszcze długa droga, ale sekret kwantowy, który ujawniono w Cambridge, właśnie rozjaśnił przyszłość energetyczną, czyniąc ją znacznie jaśniejszą i prostszą.
