Сонячні панелі отримають значний приріст потужності: відкрито столітній секрет, який допоможе в цьому досягненні.

Дослідники з Кембриджського університету виявили, що певна молекула здатна з надзвичайною ефективністю перетворювати світлову енергію на електрику. Це відкриття може сприяти розробці сонячних панелей, які будуть більш простими, легкими та доступними за ціною.

У рамках дослідження, що пов'язує сучасну науку з ідеями столітньої давнини, вчені стали свідками дивовижного явища, яке раніше вважали можливим тільки в неорганічних оксидах металів, що виникають усередині молекули органічного напівпровідника, що світиться, пише sciencedaily.com.

Відкриття вчених з Кембриджського університету проклало шлях до нового ефективного способу вловлювання світла і його перетворення в електрику. Це також допоможе змінити майбутнє сонячних технологій, йдеться у статті.

Дане дослідження зосереджене на спін-радикальному органічному напівпровіднику, який отримав назву P3TTM. Кожна молекула цього матеріалу містить один неспарений електрон, що визначає її унікальні магнітні та електронні характеристики.

Раніше вчені створили це молекулярне сімейство завдяки їх вражаючій люмінесценції, яка знайшла своє застосування в органічних світлодіодах. Проте згодом з'ясувалося, що коли молекули розташовані близько одна до одної, їхні неспарені електрони взаємодіють подібно до електронів у ізоляторі Мотта-Габбарда. Цей тип ізолятора характеризується тим, що він стає діелектриком через сильні міжелектронні взаємодії, а не через традиційну кристалічну структуру. У такому стані електрони "застряють" на своїх місцях, втрачаючи можливість вільно переміщатися і, відповідно, проводити електричний струм. Це явище можна пояснити через модель Габбарда, що пов'язане з сильним відштовхуванням електронів один від одного, що заважає їхньому русі в кристалічних решітках.

У більшості органічних матеріалів електрони формують пари та не взаємодіють між собою. Проте в цій конкретній системі, коли молекули збираються разом, взаємодія неспарених електронів на сусідніх ділянках змушує їх чергуватися у вертикальному розташуванні, що є характерною ознакою поведінки Мотта-Габбарда. Коли матеріал поглинає світло, один з електронів перескакує до найближчого сусіда, що призводить до утворення позитивних і негативних зарядів, які можна витягти для генерації електричного струму, пояснили науковці.

Для перевірки цього явища був розроблений сонячний елемент, використовуючи тонкоплівковий матеріал P3TTM. Під впливом світла цей пристрій досяг майже досконалої ефективності збору зарядженості, що означає, що практично кожен фотон, що потрапляє, перетворюється на електричний струм, придатний для використання. У традиційних органічних сонячних елементах зазвичай потрібні дві різні речовини: перша виконує роль віддавача електронів, а друга – їх приймача, що обмежує загальну ефективність системи. Натомість нові молекули здатні реалізувати весь процес перетворення в межах одного матеріалу. Після поглинання фотона електрон природно переходить до сусідньої молекули того ж типу, що призводить до утворення розділу зарядів. Невелика кількість енергії, що необхідна для цього процесу, відома як "U Габбарда" і характеризує електростатичні витрати на розміщення двох електронів на одній негативно зарядженій молекулі.

Дослідники створили молекулярні структури, які дозволяють регулювати взаємодію між молекулами та енергетичний баланс, що підлягає фізичним законам Мотта-Хаббарда, необхідним для поділу зарядів. Це вказує на можливість виробництва сонячних елементів з використанням одного доступного та легкого матеріалу.

Це відкриття має величезне історичне значення. Воно відбулося в рік, коли відзначали 120-річчя з дня народження Мотта, вшановуючи пам'ять видатного фізика, чиї дослідження взаємодії електронів в невпорядкованих системах стали основою сучасної фізики конденсованого стану.

Відкриття Невілла Мотта стали основоположними для нашого розуміння напівпровідників. Для вчених бачити, як ці основоположні закони квантової механіки проявляються в абсолютно новому класі органічних матеріалів і як їх можна використовувати для збору світла, -- воістину унікальна подія.

Раніше ми писали про те, що в Японії знайшли несподіване застосування 5000 сонячних панелей. Проєкт "Сонячний ковчег" складається з 5000 фотоелементів, які можуть у сукупності генерувати 530 000 кВтг зеленої енергії на рік.