Các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới khai thác năng lượng bằng các hạt gọi là các exciton cặp ba spin 'tối" với hiệu suất gần tới 100%, mở đường cho các pin năng lượng mặt trời lai có thể vượt xa các giới hạn về hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời hiện nay.

Nhóm nghiên cứu của Đại học Cambridge đã thu được năng lượng của các exciton cặp ba, một trạng thái kích thích điện tử trong các pin năng lượng mặt trời, và chuyển nó từ hữu cơ sang chất bán dẫn vô cơ. Cho đến nay, kiểu chuyển năng lượng này mới chỉ thấy ở exciton đơn spin.

Trong thế giới tự nhiên, exciton là một phần quan trọng của quá trình quang hợp: các photon ánh sáng được các sắc tố hấp thụ và tạo ra các exciton, hạt này sau đó mang năng lượng liên quan tỏa đi khắp cây. Quá trình tương tự cũng diễn ra trong pin năng lượng mặt trời.

Trong các bán dẫn thông thường như silic, khi một photon được hấp thụ sẽ dẫn đến sự hình thành một electron tự do có thể khai thác làm dòng điện. Tuy nhiên, trong pentacene, một loại bán dẫn hữu cơ, sự hấp thụ một photon dẫn đến hình thành hai electron. Nhưng các electron không tự do và rất khó tách ra, do chúng bị ràng buộc vào các trạng thái exciton 'tối' cặp ba.

Exciton có hai 'trạng thái': spin đơn và spin cặp ba. Exciton spin đơn thuộc loại "sáng" và năng lượng của chúng được khai thác tương đối dễ dàng trong các pin năng lượng mặt trời. Ngược lại, Exciton spin cặp ba thuộc loại "tối", và cách các electron quay (spin) gây khó khăn cho việc thu hoạch năng lượng mà chúng mang theo.

"Chìa khóa để làm cho một pin năng lượng mặt trời tốt hơn là làm sao có thể tách các electron từ các exciton tối cặp ba này," Maxim Tabachnyk, tác giả chính của bài báo, cho biết. "Nếu kết hợp được các vật liệu như pentacene với chất bán dẫn thông thường như silic, thì điều đó sẽ cho phép chúng ta vượt qua các giới hạn trần cơ bản về hiệu quả của các pin năng lượng mặt trời".

Sử dụng các thuật kỹ thuật quang phổ tia laser femto giây tiên tiến nhất, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng exciton cặp ba có thể được chuyển trực tiếp vào các chất bán dẫn vô cơ, với hiệu quả lên tới hơn 95%. Sau khi được chuyển vào các vật liệu vô cơ, các electron từ cặp ba có thể tách ra dễ dàng.

"Kết hợp những ưu điểm của chất bán dẫn hữu cơ, như chi phí thấp và có thể gia công dễ dàng, với chất bán dẫn vô cơ có hiệu quả cao, có thể cho phép chúng ta nâng cao hơn nữa hiệu quả của các pin năng lượng mặt trời vô cơ, như những pin silic," Tiến sĩ Akshay Rao, người đứng đầu nhóm nghiên cứu, nói.

Nhóm nghiên cứu hiện đang tìm hiểu xem làm thế nào để việc chuyển năng lượng của các exciton cặp ba spin này có thể mở rộng sang các hệ thống hữu cơ/vô cơ khác. Họ cũng đang phát triển một lớp phủ hữu cơ giá rẻ có thể sử dụng để tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng của các pin năng lượng mặt trời silic.