Чистая энергия: двухфотонный прорыв

Эффективность преобразования солнечного света с помощью фотоэлектрических преобразователей остается сравнительно небольшой. В частности, это связано с тем, что при этом используется лишь часть электромагнитного спектра с энергией выше определенного порога, в то время как фотоны низкой энергии длинноволновой области спектра «не работают».

Ученым из института исследований полимеров имени Макса Планка и лаборатории материаловедения компании Sony удалось существенно расширить возможности фотоэффекта за счет использования двух молекул-посредников, способных поглотить излучение двух фотонов и затем испустить один фотон с более короткой длиной волны.

Известное физическое явление флуоресценция состоит в поглощении света с последующим его переизлучением, при этом длина волны излучаемого света возрастает — соответственно, энергия фотона при переизлучении снижается. Способы превращения длинноволнового излучения в коротковолновое также были известны, однако они требовали мощного когерентного излучения, при котором происходит так называемое «двухфотонное поглощение».

Станислав Балушев и его коллеги из института имени Макса Планка разработали иной способ преобразования энергии света, который может использовать обычное солнечное излучение. Для этого использовали раствор, в котором одновременно присутствуют молекулы двух типов с совершенно разными свойствами. Одна молекула играет роль антенны, улавливающей длинноволновое излучение, другая является источником света.

При облучении молекулы-антенны зеленым светом (излучение выделяли при помощи фильтров) происходит изменение электронной конфигурации молекулы, она переходит в возбужденное состояние. Роль молекулы-антенны играет октаэтилпорфирин платины. Затем молекула-антенна при столкновении с молекулой-излучателем (дифенилантраценом) передает ей энергию возбуждения. Молекула-излучатель должна сохранить свое возбужденное триплетное состояние до тех пор, пока не столкнется с другой такой же молекулой-излучателем. Время жизни такого триплетного состояния оценивается в 5 мс.

При столкновении двух возбужденных молекул происходит т.н. триплет-триплетная аннигиляция, в результате которой одна из молекул возвращается в исходное состояние, а другая, напротив, становится еще более возбужденной — ее электроны переходят на более высокий уровень, с которого затем молекула быстро возвращается в исходное состояние с излучением фотона уже более высокой энергии, соответствующей синему диапазону видимой области спектра.

Пока эффективность преобразования зеленого света в синий невелика — на 100 поглощенных фотонов приходится 1 фотон синего света. Но важно отметить, что эти поглощенные фотоны для фотоэлементов раньше и вовсе были бесполезными.

Ученые намерены продолжить свои исследования, расширив набор возможных взаимодействующих молекул (и, тем самым, диапазон различных длин волн). Особенно важно найти такие молекулы, которые использовали бы поглощение инфракрасного диапазона — тогда можно будет использовать наиболее распространенные сейчас фотоэлементы на основе кремния. Другое важное направление работ — перейти от использования растворов к полимерным матрицам, куда будут включены взаимодействующие со светом и друг с другом молекулы. Всё это позволит эффективнее использовать солнечный свет для преобразования его в электрическую энергию.