Solenergi är en av de viktigaste källorna till fossilfri och miljömässigt hållbar elektricitet. Dagens kiselbaserade solceller kan maximalt ta upp cirka 33 procent av solens ljus och omvandla till elektricitet. Det beror på att ljuspartiklarna, eller fotonerna, i solens strålar har antingen för låg energi, som inte kan tas upp av solcellen, eller för hög energi där stora delar försvinner som värme. Den här teoretiska maxgränsen kallas för Shockley-Queisser gränsen. I praktiken ligger effektiviteten hos moderna solceller på cirka 20 till 25 procent.
Men med ett fenomen inom molekylär fotofysik som kallas singlettfission kan även fotonerna med hög energi tas tillvara och omvandlas till elektricitet – utan värmeförlust. De senaste åren har singlettfission rönt mer och mer uppmärksamhet i forskarvärlden och det pågår febril aktivitet för att utveckla det optimala singlettfissionmaterialet. I studien användes difenylhexatrien (DPH) som singlettfissionsmaterial. Foto Thor BalkhedMen fram till nu har okända energiförluster i singlettfissionen gjort det svårt att veta exakt hur materialet ska utformas. Inom forskningsfältet råder delade meningar om varför energiförlusten uppstår.
På en nanosekund
Nu har forskare vid Linköpings universitet, tillsammans med kollegor i Cambridge, Oxford, Donostia och Barcelona upptäckt vart energin tar vägen i en singlettfission.
– Singlettfission sker på under en nanosekund och är därför väldigt svår att mäta. Med vår upptäckt kan vi öppna ”den svarta lådan” och ta reda på var energin tar vägen i reaktionen. Därmed kan vi på sikt också optimera materialet för att öka effektiviteten hos solceller, säger Yuttapoom Puttisong, universitetslektor på Institutionen för fysik, kemi och biologi vid Linköpings universitet.
Delar av energin försvinner i form av ett intermediärt och ljust tillstånd vilket är ett problem som måste lösas för att uppnå en effektiv singlettfission. Upptäckten om vart energin tar vägen är ett stort steg närmare en markant ökad effektivitet hos solceller – från dagens 33 procent till över 40 procent. Resultaten är nu publicerade i den nya tidskriften Cell Reports Physical Science.
Optimera material
Forskarna använde en förfinad magnetoptisk transient metod för att visa var energiförlusten sker. Fördelarna med metoden är att den kan undersöka singlettfissionens ”fingeravtryck” på en nanosekunds tidsskala. Yuttapoom Puttisong, universitetslektor på Institutionen för fysik, kemi och biologi vid Linköpings universitet. Foto Thor BalkhedI studien användes en monoklinisk kristall av en polyen, difenylhexatrien (DPH), men metoden kan användas för att studera singlettfission i många olika typer av material. Yuqing Huang är tidigare doktorand på Institutionen för fysik, kemi och biologi vid Linköpings universitet och huvudförfattare till artikeln:
– Själva singlettfissionen sker i kristallmaterialet. Om vi kan optimera materialet för att behålla så mycket som möjligt av energin från singlettfissionen är vi betydligt närmare verklig tillämpning. Dessutom kan singlettfissionsmaterialet framställas ur en lösning vilket gör det billigt att tillverka och möjligt att integrera med befintlig solcellsteknologi, säger han.
Forskningen är i huvudsak finansierad av Vetenskapsrådet samt Knut och Alice Wallenbergs stiftelse.
Artikeln: Competition between triplet pair formation and excimer-like recombination controls singlet fission yield Yuqing Huang, Irina A. Buyanova, Chanakarn Phansa, Maria E. Sandoval-Salinas, David Casanova, William K. Myers, Neil C. Greenham, Akshay Rao, Weimin M. Chen, and Yuttapoom Puttisong Cell Reports Physical Science 2021 doi: 10.1016/j.xcrp.2021.100339
Fotnot: En nanosekund är en miljarddelssekund (10−9 sekund)
Fakta: När en energirik foton träffar singlettfissionsmaterialet lagras energin som en så kallad singlettexciton i materialet. Med hjälp av det forskarna kallar för ”spooky action” hos spin- och kvantmekanik kan en singlettexciton bli två triplettexcitoner med hälften av den ursprungliga energin var. Triplettexcitonerna kan sedan tas upp av solcellen. Reaktionen sker utan någon energiförlust. I alla fall i teorin.
Singlettfissionen sker i kristallmaterialet. Foto Thor Balkhed