انرژی خورشیدی در نگاه نخست یکی از ایدهآلترین منابع انرژی به نظر میرسد. با استفاده از سلولهای فتوولتائیک، یعنی نیمهرساناهای کوچکی که نور را مستقیماً به برق تبدیل میکنند، میتوان انرژی تابشی خورشید را به توان الکتریکی برای مصرف در خانهها و صنایع تبدیل کرد.
بااینحال، یک محدودیت اساسی هست. حتی در بهترین شرایط، تنها حدود ۳۳ درصد از انرژی نور خورشید قابلیت تبدیل به برق را دارد و در عمل، بیشتر پنلهای خورشیدی تجاری به بازدهیهایی در حدود ۲۰ تا ۲۵ درصد میرسند. این سقف نظری به محدودیت شاکلی و کوییسر معروف است؛ مفهومی که در سال ۱۹۶۱ توسط ویلیام شاکلی و هانس-یواخیم کوییسر مطرح شد.
دلیل محدودیت مورد بحث به اصول ترمودینامیک بازمیگردد. نور خورشید شامل طیف گستردهای از انرژیها در قالب رنگبندیهای مختلف است، اما سلولهای خورشیدی معمولی تنها میتوانند بخش محدودی از این طیف را به برق تبدیل کنند. بخشهای دیگر یا بدون استفاده از سلول عبور میکنند یا به صورت گرمای اضافی از دست میروند.
اکنون پژوهشگران روشی جدید معرفی کردهاند که ممکن است این محدودیت قدیمی را به چالش بکشد و توضیح دادهاند چگونه میتوان بخشهایی از طیف نور را که معمولاً به گرما تبدیل میشوند، به انرژی قابل استفاده تبدیل کرد.
طبق ریپورت فیوچریسم، در روش جدید، پژوهشگران از نوعی فرایند بهره بردهاند که طی آن، نور پرانرژی آبی، یعنی بخشی از طیف که معمولاً بهخوبی به برق تبدیل نمیشود، به دو حامل انرژی مفید تقسیم میشود. به بیان ساده، آنها نشان دادهاند که میتوان از یک فوتون لاگینی، بیش از یک واحد انرژی قابل استفاده به دست آورد.
نتیجه آزمایشها چشمگیر بوده است: پژوهشگران به بازده کوانتومی حدود ۱۳۰ درصد دست یافتهاند؛ بدین معنا که به ازای هر ۱۰۰ فوتون لاگینی، ۱۳۰ حامل انرژی تولید شده است. البته این عدد به معنای تولید انرژی بیش از مقدار لاگینی نیست، بلکه نشاندهنده استفاده کارآمدتر از انرژی فوتونها در سطح کوانتومی است.
برای دستیابی به این دستاورد، پژوهشگران یک مولکول آلی به نام تتراسن را با عنصر فلزی مولیبدن ترکیب کردند. پیش از این نیز از تتراسن برای بهرهگیری از نور پرانرژی استفاده شده بود، اما مشکلاتی در پایداری و تداوم فرایند تبدیل انرژی وجود داشت. به گفته تیم تحقیقاتی، افزودن مولیبدن این مشکل را برطرف کرده است.
در روش جدید با استفاده از پدیده شکافت منفرد، انرژی نور پرانرژی بهجای هدر رفتن، به دو حامل مفید تبدیل میشود
یوئیچی ساساکی، شیمیدان دانشگاه کیوشو، توضیح میدهد که دو راهبرد اصلی برای عبور از حد شوکلی–کوایزر هست: یکی تبدیل فوتونهای کمانرژی فروسرخ به فوتونهای پرانرژی مرئی، و دیگری استفاده از فرایندی به نام شکافت منفرد (Singlet Fission).
در حالت معمول، وقتی نور به یک سلول خورشیدی برخورد میکند، انرژی آن باعث میشود یک الکترون برانگیخته شود. به این حالت برانگیخته اکسیتون میگویند. بهطور عادی، هر فوتون نور فقط یک اکسیتون تولید میکند و پس یک واحد انرژی قابل استفاده به دست میآید. اما در شکافت منفرد اتفاق جالبتری میافتد. اگر انرژی فوتون لاگینی زیاد باشد (مثلاً نور آبی)، یک اکسیتون پرانرژی میتواند به دو اکسیتون کمانرژیتر تبدیل شود. یعنی بهجای اینکه انرژی به شکل گرما هدر برود، به دو بخش مفید تقسیم میشود.
با وجود این پیشرفت، باید تأکید کرد که نتایج در شرایط کنترلشده آزمایشگاهی به دست آمدهاند. اکنون، بازدهی پنلهای خورشیدی تجاری همچنان در حدود ۲۵ درصد باقی مانده و انتظار نمیرود در کوتاهمدت تغییر چشمگیری داشته باشد.
بااینحال، پژوهش اخیر را میتوان یکی از مهمترین گامها در شکستن محدودیتی دانست که بیش از ۶۰ سال به عنوان سقف نظری در فناوری خورشیدی شناخته میشد. اگر این فناوری در آینده به مرحله یوزردی برسد، میتواند بهرهوری انرژی خورشیدی را بهطور قابل توجهی افزایش دهد و نقش آن را در تأمین انرژی جهان پررنگبندیتر کند.
پژوهش در ژورنال Journal of the American Chemical Society منتشر شده است.
