Naukowcy zajmujący się energetyką słoneczną, choć bezustannie ulepszają ogniwa fotowoltaiczne wciąż mają jeszcze przed sobą wiele pracy. Z jednej strony problemem jest magazynowanie energii wytwarzanej przez ogniwa słoneczne i przechowywanie jej tak, aby była dostępna wtedy kiedy ogniwa nie są w stanie jej produkować (w nocy lub podczas zachmurzenia). Z drugiej strony problemem jest ilość generowanej przez ogniwa energii. Tym drugim problemem zajęli się niedawno naukowcy z Instytutu Fritza Habera oraz Uniwersytetu Technicznego w Berlinie.
Czytaj także: Fotowoltaika i turbiny wiatrowe zmiotły elektrownie węglowe. Mamy rekord
Od ponad stu lat wiadomo, że światło składa się z cząstek zwanych fotonami, a ładunek elektryczny z elektronów i dziur elektronowych. Fotony padające na różne materiały zamieniają się w wolne ładunki. W typowych panelach słonecznych energia przenoszona przez pojedynczy foton przekazywana jest do dwóch swobodnych ładunków w materiale. Istnieje jednak kilka materiałów, w których sytuacja przedstawia się znacznie ciekawiej. Weźmy np. taki pentacen: padający na niego jeden foton przenosi energię do czterech ładunków swobodnych. W tym przypadku dochodzi do tzw. podwójnego wzbudzenia, tudzież do rozszczepienia ekscytonów. Ekscytonem w fizyce nazywa się kwazicząstki stanowiące parę elektron-dziura związaną siłami elektrostatycznymi.
Jak sfotografować powstawanie ładunków elektrycznych?
Choć trudno w to uwierzyć, naukowcom z Niemiec udało się stworzyć ultraszybki film, który przedstawia zamianę fotonu w ładunek elektryczny.
Jak mówi prof. Ralph Enrstorfer, główny autor artykułu opublikowanego w periodyku Nature, w momencie uderzenia fotonu w powierzchnię pentacenu, ładunki elektryczne reagują natychmiastowo. Naukowcy do niedawna nie wiedzieli jak wyglądał ten proces: czy foton wzbudzał najpierw jedną parę elektron-dziura, a następnie ta dzieliła się ładunkiem z drugą, czy też do wzbudzenia obu par dochodziło jednocześnie?
Czytaj także: Tajny składnik na ratunek. Dzięki niemu fotowoltaika jest niemal przezroczysta
Korzystając z najnowszych osiągnięć nauki, tj. z metod spektroskopii fotoemisyjnej rejestrowanej w femtosekundowej skali czasu fizykom udało się uchwycić obraz uciekających wzbudzonych elektronów. Zaraz, zaraz, czym jest femtosekunda? Mówiąc najprościej, aby zarejestrować taki proces, badacze musieli skorzystać z kamery, która jest w stanie rejestrować klatki co jedną miliardową jednej milionowej części sekundy.
Dzięki temu niesamowitemu filmowi naukowcom udało się szczegółowo przeanalizować dynamikę wzbudzonych nośników ładunku. Okazało się w końcu, że padający na materiał foton wzbudza najpierw jedną parę elektron-dziura. Co więcej, udało się także zidentyfikować następujący później mechanizm podwajania nośników swobodnego ładunku.
Jak przekonują naukowcy, pozyskana w ten sposób wiedza być może w najbliższym czasie pozwoli na wdrożenie takich materiałów jak pentacen do produkcji niezwykle wydajnych ogniw słonecznych. Zważając na tempo, w jakim już teraz rozwija się fotowoltaika, ale także na nieco bardziej długofalowe plany tworzenia elektrowni słonecznych na orbicie okołoziemskiej, zrozumienie procesów zachodzących na poziomie pojedynczego fotonu w skali femtosekundowej mogą przynieść długotrwałe, ogromne korzyści w skali globalnej.