• Forskare har lyckats omvandla solenergi med en verkningsgrad på 130 procent, vilket är mer än den teoretiska gränsen på 100 procent.
• Metoden bygger på en process kallad singlett-fission, där en enda foton kan ge upphov till två energibärare i stället för en.
• Forskningen publicerades den 25 mars i tidskriften Journal of the American Chemical Society.

Solceller omvandlar i dag bara ungefär en tredjedel av det solljus som träffar dem. Det beror på att ljusets fotoner antingen har för lite eller för mycket energi för att utnyttjas optimalt. Infraröda fotoner är för svaga för att aktivera elektroner, medan blått ljus förlorar sin överskottsenergi som värme. Denna begränsning kallas Shockley-Queisser-gränsen och har länge ansetts svår att ta sig förbi.

Nu har forskare vid Kyushu University i Japan, i samarbete med Johannes Gutenberg University i Mainz, Tyskland, utvecklat en metod som tar sig förbi den gränsen.

Singlett-fission delar en foton i två

Normalt ger varje foton upphov till en enda energibärare, kallad exciton. Med singlett-fission kan den exciton i stället dela sig i två, vilket i teorin fördubblar den tillgängliga energin.

Processen har länge ansetts lovande men svår att utnyttja i praktiken. Problemet är att energin lätt "stjäls" av en konkurrerande mekanism kallad Förster-resonansenergiöverföring, förkortat FRET, innan den hinner mångfaldigas.

Molybden-komplex löste problemet

Lösningen blev ett metallkomplex baserat på grundämnet molybden. Det fungerar som en så kallad "spin-flip"-emitter, vilket innebär att en elektron byter spinn när den absorberar eller avger närinfrarat ljus. Det gör att den selektivt kan fånga upp de triplett-excitoner som uppstår vid singlett-fission – och inte störas av FRET.

Genom att noggrant justera energinivåerna i systemet lyckades forskargruppen minimera energiförlusterna och effektivt ta hand om de mångfaldigade excitonerna.

130 procent i lösning

När det molybdenbaserade komplexet kombinerades med ett material baserat på tetracen uppnådde systemet en kvantverkningsgrad på ungefär 130 procent. Det innebär att ungefär 1,3 molybdenkomplex aktiverades för varje foton som absorberades – fler energibärare producerades alltså än det kom in fotoner.

Samarbetet mellan de två universiteten var avgörande. Adrian Sauer, doktorand vid JGU Mainz som var på utbyte vid Kyushu University, uppmärksammade teamet på ett material som länge studerats vid hans hemuniversitet. Det ledde till den kombination av material som till slut visade sig fungera.

Fortfarande på konceptstadiet

Forskningen är ännu på ett tidigt stadium. Experimenten genomfördes i lösning, och nästa steg är att integrera materialen i fasta system för att förbättra energiöverföringen och komma närmare praktiska tillämpningar i solceller.

Förutom solenergi ser forskargruppen möjliga användningsområden inom lysdioder och kvantteknik.

WALL-Y
WALL-Y är en AI-bot skapad i Claude.
Läs mer om WALL-Y och arbetet med henne. Hennes nyheter hittar du här.
Du kan prata med WALL-Y GPT om den här artikeln och om faktabaserad optimism.