Energjia nuk mund të krijohet apo të shkatërrohet. Kjo është një parim themelor i fizikës. Thjesht nuk mund të krijohet energji nga asgjë. Megjithatë, studiues në Universitetin Kyushu në Japoni thonë se kanë zhvilluar një teknologji që e çon eficiencën e konvertimit të energjisë të qelizave solare në 130%!
Në pamje të parë, rezultatet e këtij studimi, i kryer në bashkëpunim me kolegët në Universitetin Johannes Gutenberg në Gjermani, duken si një shpifje. Megjithatë, realiteti është shumë më kompleks. Duke përdorur një kompleks metalik bazuar në molibden, i quajtur “spin-flip”, të kombinuar me një material për ndarjen e singletit, shkencëtarët arritën të gjeneronin më shumë “mbartës” të energjisë të përdorueshme sesa fotonët që hynë.
Le të shpjegojmë gjërat.
Gjatë një viti, Toka merr rreth 2.8 bilionë TWh të energjisë solare, rreth 5,000 herë konsumin vjetor të energjisë nga njerëzit. Megjithatë, teknologjitë moderne solare kapin vetëm një pjesë të vogël të saj.
Qelizat fotovoltaike solare, të cilat janë ai që ndoshta të vini në mendje kur mendoni për panelet solare, konvertojnë vetëm rreth 20% të dritës së diellit që i godet në energji elektrike të përdorueshme. Kufizimet e konvertimit rrjedhin kryesisht nga vetë Dielli.
Qelizat solare konvertojnë dritën në energji elektrike përmes një procesi relativisht të thjeshtë. Fotonët, të cilët janë paketa të energjisë së dritës, vijnë nga Dielli dhe godasin një material semiconductor, zakonisht silikoni. Kur një foton godet, ai transferon energjinë e tij në një elektron në materialin semiconductor, duke e çliruar dhe duke e vënë në lëvizje. Elektronët e energjizuar që lëvizin përbëjnë një rryma elektrike.
Problemi është se fotonët nuk janë të njëjtë. Ata vijnë me nivele të ndryshme energjie, në varësi të gjatësisë së tyre valë. Fotonët infra të kuq, në skajin e ulët të spektrit, nuk kanë mjaft energji për të çliruar elektronet. Përkundrazi, ata kalojnë ose absorbohen si nxehtësi, duke u humbur. Fotonët e dritës së kaltër, nga ana tjetër, kanë shumë më tepër energji sesa që është e nevojshme për të çliruar një elektron. Tjera humben si nxehtësi, edhe atë duke u humbur.
Ky papjekje themelore midis shkaktimit të energjisë dhe pragut të elektronit të materialit semiconductor vendos një kufi të fortë të eficiencës, i njohur si limiti i Shockley-Queisser. Për një qelizë solare standarde me një lidhje, ky kufi është rreth 33%.
Madje edhe me një inxhinieri të përsosur, nuk mund të nxirrni më shumë se një e treta të energjisë solare që hyn. Kjo është arsyeja pse edhe panelet solare më të mira komerciale nuk depërtojnë eficiencën e konvertimit më shumë se 25%.
Normalisht, një foton emocionon një elektron, duke krijuar një njësi të energjisë të përdorueshme, të njohur si një “eksiton”. Madje edhe kur një foton me më shumë energji sesa e nevojshme godet qelizën solare, gjenerohet vetëm një eksiton. Resti i energjisë humbet si nxehtësi. Pra, është gjithmonë një foton, një eksiton. Kjo është gjithmonë konsideruar si diçka e sigurt. Por se po ndodhte kështu? Kjo pyetje është baza e kërkimit në Kyushu. Qasja e ekipit qendron në një fenomen i quajtur ndarja e singletit.
Ndërprerja e singletit është një proces në të cilin një eksiton i vetëm me energji të lartë ndahet në dy eksitone me energji më të ulët. Në vend të prodhimit të një eksitoni për foton, ky proces lejon që një foton i vetëm me energji të lartë të rezultojë në dy eksitone me energji më të ulët.
“Ne kemi dy strategji kryesore për të thyer këtë kufi,” shpjegon Profesorja e Asociuar Yoichi Sasaki e Fakultetit të Inxhinierisë të Universitetit Kyushu. “Njëri është të konvertojmë fotonët infra të kuq me energji të ulët në fotonët e dukshëm me energji të lartë. Tjetra, ajo që ne eksplorojmë këtu, është të përdorim ndarjen e singletit për të gjeneruar dy eksitone nga një foton me energji të lartë.”
Në teori, kjo mund të dyfishojë numrin e mbartësve të ngarkimit të përdorueshme. Në praktikë, megjithatë, ky proces ka një defekt të madh: këto eksitone shtesë janë jashtëzakonisht të vështirë për t’u kapur. Koncepti i ndarjes së singletit nuk është i ri. Problemi ka qenë gjithmonë kapja. Para se dy eksitonet e reja të mund të ekstrahohen dhe të vihen në punë, ato kanë tendencë të “pushtohen” nga mekanizma konkurruese, të tilla si transferimi i energjisë rezonuese të Förster (FRET), në të cilën energjia “vjedhet” para se të mund të përdoret.
Këtu hyn inovacioni i studiuesve, duke sjellë me vete elegancën e fizikës. Zgjidhja e tyre: një emitor bazuar në molibden, i quajtur “spin-flip”, një sistem që kap selektivisht këto eksitone tripletë të humbura, ndërsa injoron rrugën konkurruese FRET. Rezultati është një rendiment kuantik i matshëm rreth 130%. Kjo do të thotë se, në mesatarë, 1.3 eksitone korrohen me sukses për çdo foton që absorbohet.
Pra… a është kjo 130% eficiencë e konvertimit të energjisë solare për qelizat solare? Absolutisht jo. Një eficiencë e energjisë 130% do të shkelte ligjin e ruajtjes së energjisë, themeli i fizikës. Ajo që studiuesit arritën ishte një rendiment kuantik 130%, një matës jo i energjisë, por i mbartësve të ngarkimit për foton.
“Rendimenti kuantik zakonisht nuk duhet të jetë më i lartë se 100%, por [rendimenti kuantik] mund të jetë, nëse jepet një definicion i duhur, pra, në varësi të asaj se si është i definuar,” shpjegon Dr. Jin Zhang, Profesor i Kimisë dhe Bio-kimisë në Universitetin e Kalifornisë – San Diego, i cili nuk ishte pjesë e këtij studimi.
“A është ky ‘përparimi’?” mund të pyesni. Thjesht put, qelizat solare nuk absorbojnë më shumë dritë diellore sesa zakonisht. Përkundrazi, ata nxjerrin më shumë mbartës të ngarkimit të përdorueshme nga e njëjta dritë e absorbuar, duke rimëkësuar energji që normalisht do të humbet si nxe
Burimi: newatlas.com
