Komplex kovu s obratem spinu překonal bariéru solární účinnosti

Tým výzkumníků z Japonska a Německa dosáhl něčeho, co bylo dlouho považováno za fyzikálně nemožné – generování více energetických nosičů ze slunečního světla, než kolik bylo absorbováno fotonů, a dosáhl pozoruhodného 130% kvantového výtěžku, který by mohl přetvořit budoucnost solární energie.

Studie vědců z Univerzity Kjúšú a Univerzity Johannese Gutenberga (JGU) v Mohuči, publikovaná 25. března 2026 v časopise Journal of the American Chemical Society, demonstruje nový přístup k získávání energie prostřednictvím kvantového jevu zvaného singletové štěpení, spojeného s důmyslným „spin-flip“ emitorem na bázi molybdenu.

Prolomení nepřekonatelné hranice

Tradiční křemíkové solární články se řídí Shockley-Queisserovou mezí – termodynamickým stropem, který omezuje účinnost solárních článků s jednou přechodovou vrstvou na zhruba 33,7 %. Nejde o inženýrský nedostatek, ale o základní fyzikální zákon: většina energie slunečního světla se ztrácí jako teplo nebo prochází článkem nevyužitá.

Singletové štěpení nabízí způsob, jak tuto bariéru obejít. V tomto procesu generuje jediný foton jeden vysokoenergetický exciton, který se spontánně štěpí na dva nízkoenergetické tripletové excitony. Teoreticky by to mohlo zdvojnásobit počet nosičů náboje dostupných pro výrobu elektřiny z každého absorbovaného fotonu.

Existoval však trvalý problém. Než může být energie generovaná štěpením získána, je často „ukradena“ konkurenčním mechanismem zvaným Försterův rezonanční přenos energie (FRET), který rozptyluje cennou tripletovou energii dříve, než může být využita.

Řešení s molybdenem

Mezinárodní tým to vyřešil identifikací komplexu kovu na bázi molybdenu, který funguje jako spinově selektivní akceptor energie. V tomto „spin-flip“ emitoru elektron mění svůj spinový stav během absorpce nebo emise blízkého infračerveného světla. Tato jedinečná vlastnost umožňuje komplexu selektivně zachycovat energii tripletového stavu produkovanou singletovým štěpením a zároveň odolávat interferenci z FRET.

Spojením tohoto molybdenového komplexu s materiály na bázi tetracenu pro singletové štěpení v roztoku dosáhli vědci kvantového výtěžku přibližně 130 % – což znamená, že na každý absorbovaný foton bylo excitováno zhruba 1,3 kovových komplexů. To překračuje konvenční limit jeden foton – jeden exciton a demonstruje, že násobení energie ze slunečního světla je v praxi dosažitelné.

Z laboratoře na solární panel

Vědci si uvědomují, že se stále jedná o fázi ověření konceptu. Experimenty byly prováděny v roztoku a dalším kritickým krokem je přechod systému do pevného stavu – spojení materiálů pro singletové štěpení a spin-flip emitorů do filmu nebo zařízení, kde může efektivní přenos energie probíhat ve velkém měřítku.

Pokud bude úspěšný, důsledky budou obrovské. Solární panely využívající singletové štěpení by teoreticky mohly překonat dnešní komerční účinnost 20–25 % a potenciálně dosáhnout 45 % nebo více. Takový skok by dramaticky snížil náklady na watt solární elektřiny a urychlil globální přechod na obnovitelné zdroje energie.

Načasování je významné. Vzhledem k pokračující geopolitické nestabilitě, která zvyšuje ceny energií, a stále naléhavějším klimatickým cílům, jakákoli technologie, která slibuje podstatně levnější a účinnější solární energii, přitahuje intenzivní zájem průmyslu i vlád po celém světě.

Nová strategie návrhu

Kromě fotovoltaiky vědci naznačují, že jejich přístup k získávání energie pomocí spin-flip by mohl najít uplatnění v organických LED a dokonce i v kvantových počítačích, kde je řízené násobení excitonů a spinově selektivní přenos energie stejně cenný.

Studie stanovuje to, co tým nazývá novou „strategií návrhu pro amplifikaci excitonů“ – plán, na kterém mohou ostatní výzkumníci stavět při vývoji praktických zařízení. I když komerční solární panely využívající tuto technologii mohou být ještě roky vzdálené, demonstrace, že základní fyzika funguje, představuje klíčový moment v desetiletí trvajícím úsilí vymanit se z křemíkového stropu účinnosti.