«Десятилетиями, пока велись исследования солнечных батарей, существовал, казалось, лимит их эффективности в преобразовании солнечного света в электроэнергию», – пишет Дэвид Чандлер из службы новостей Массачусетского технологического института. Это так называемый предел Шокли – Квейссера, сформулированный в 1961 году лауреатом Нобелевской премии по физике 1956 года Уильямом Шокли и физиком Гансом Квейссером. Согласно их расчётам, максимальная теоретическая эффективность для однопереходных полупроводников, иными словами, солнечных батарей на основе монокристаллического кремния и большинства традиционных однослойных тонкоплёночных элементов, не может превышать 33,7%. Проще говоря, только 33,7% солнечного света, попадающего в фотогальванический элемент, может быть превращено в электроэнергию. Это справедливо именно для солнечных панелей на основе однослойных тонкоплёночных элементов – КПД многослойных батарей выше, однако стоят они существенно дороже, так что использовать их во многих случаях экономически нецелесообразно. 

Ограничение связано с тем, что фотон (элементарная частица электромагнитного излучения, в том числе света) при попадании в фотогальванический элемент «выбивает» лишь один экситон – пару из электрона и «дырки», то есть положительно заряжённой квазичастицы. Таким образом, в провода, по которым передаётся электрический ток, попадает лишь один свободный электрон. Избыточная энергия фотона при этом попросту рассеивается. Аспиранты и преподаватели Массачусетского технологического института смогли использовать её и получили с помощью кванта света два экситона. «Теоретический принцип, по которому действует эта технология, известен с шестидесятых годов, – рассказывает преподаватель электрического машиностроения Марк Балдо, возглавляющий Центр экситоники, финансируемый Министерством энергетики США. – Но это была некая умозрительная идея, которую никому не удавалось воплотить в жизнь». 

Строго говоря, сама по себе возможность расщепления синглетного экситона – так по-научному называется этот принцип – не является чем-то невероятным. Её реализовывали на практике и раньше, но использовали для этого ультрафиолетовое излучение, доля которого в солнечном свете, достигающем поверхности Земли, невелика. «Новая технология впервые позволяет проделать этот трюк с видимым солнечным светом, что открывает широкие перспективы её использования в солнечных фотогальванических панелях», – сказано в сообщение службы новостей института. Это стало возможным благодаря пентацену – углеводороду, который используется в качестве полупроводника в пластиковых микросхемах. Его способность производить два экситона из одного фотона известна довольно давно, но до сих пор никому не удавалось создать фотогальванический элемент с применением полимера. 

Впрочем, исследователи из Массачусетского технологического института пока доказали лишь жизнеспособность самой идеи расщепления синглетного экситона в солнечной батарее. Эффективность установки, собранной ими, пока не превышает 2%. Однако, утверждают учёные, её повышение не представляет больших трудностей. «Оказывается, нет никакого непреодолимого барьера», – подчёркивает аспирант Массачусетского технологического института Николас Томпсон. Химик Кристофер Барден из Калифорнийского университета в Риверсайде считает, что достижение его коллег из другого штата – «это первый шаг к использованию «экзотического» фотофизического процесса в солнечных батареях». По мнению профессора факультета физики Кембриджского университета Ричарда Френда, это открытие является важной вехой. Марк Балдо отмечает, что эффективность кремниевых солнечных панелей при использовании новой технологии может превысить 30%, тогда как у существующих на рынке батарей такой показатель не превышает 25%. И это, по мнению учёного, будет «гигантским скачком в отрасли, где люди борются за прирост в десятую долю процента».