Предел Шокли-Квайссера побит: 132% квантового выхода

Один фотон — один электрон. Это правило полвека определяло потолок солнечной энергетики. 25 марта 2026 года команда из Японии и Германии опубликовала результат, где один фотон порождает 1,3 носителя заряда. Предел не отменили — его обошли через квантовый трюк.

Правило, которое нельзя нарушить

В 1961 году физики Уильям Шокли и Ганс-Иоахим Квайссер рассчитали, что одиночная кремниевая солнечная ячейка не может преобразовать в электричество больше 33,7% падающего света. Причина — в арифметике фотонов.

Предел Шокли-Квайссера — теоретический максимум КПД для солнечной ячейки из одного материала. Фотоны слабее порога проходят насквозь. Фотоны сильнее порога отдают лишнюю энергию теплом. Итог: один фотон = максимум один электрон.

Солнечный свет — коктейль из фотонов разной энергии. Кремний «ловит» только те, что близки к его порогу (1,1 эВ). Красные — слишком слабые, проскакивают. Синие — слишком сильные: кремний забирает ровно 1,1 эВ, а остаток рассеивается теплом. Больше двух третей солнечной энергии теряется.

Расщепить экситон надвое

Команда под руководством Йоичи Сасаки (Университет Кюсю, Япония) и Катьи Хайнце (Университет Майнца, Германия) нашла способ обойти это правило. Их подход называется синглетная фиссия — процесс, при котором один высокоэнергетический экситон расщепляется на два.

Синглетная фиссия (Singlet Fission) — квантовый процесс, в котором одна возбуждённая молекула делится энергией с соседней, порождая два триплетных экситона вместо одного. Это как если бы один бильярдный шар ударил другой так, что оба покатились с половинной скоростью.

Идея не нова — синглетную фиссию наблюдали ещё в 1960-х. Проблема в том, что два «дочерних» экситона трудно собрать: конкурирующий процесс (FRET — резонансный перенос энергии) перехватывает энергию раньше, чем она успевает удвоиться.

Молибденовый фильтр

Ключевое решение — комплекс молибдена, работающий как «спин-фильтр». У этой молекулы есть уникальное свойство: при взаимодействии со светом электрон в ней меняет спин. Благодаря этому комплекс захватывает именно триплетные экситоны (продукт фиссии) и отсекает нежелательный FRET.

Спин-флип эмиттер — молекула, в которой при переходе между энергетическими уровнями электрон меняет спиновое состояние. Это создаёт энергетический «фильтр»: триплетные экситоны проходят, а синглетные — нет.

Донором послужили тетраценовые димеры с тремя вариантами мостиковых групп. Лучший результат показал димер с 2,5-метилфениленовым мостиком.

132%

Результат — 132 ± 2% квантового выхода для образования возбуждённого дублетного состояния молибденового комплекса. Это означает, что на каждые 100 поглощённых фотонов система генерирует 132 активированных молекулярных комплекса. Один фотон порождает в среднем 1,3 носителя.

Три конфигурации показали разные результаты:

• Фенильный мостик: 112 ± 6%
• 2,5-метилфенильный мостик: 132 ± 2%
• п-Терфенильный мостик: 128 ± 4%

Все три — выше 100%, что подтверждает: фиссия действительно удваивает часть экситонов.

Оговорка, которую важно услышать

132% — это квантовый выход одного конкретного фотофизического шага, а не КПД готового солнечного элемента. Между молекулой в растворе и панелью на крыше — дистанция огромного размера. Все измерения проведены в жидкой среде. Твёрдотельные устройства, стабильность под реальным солнцем, масштабирование — всё это впереди.

Работа опубликована в Journal of the American Chemical Society (JACS) 25 марта 2026 года (DOI: 10.1021/jacs.5c20500) и прошла полный цикл рецензирования. Авторы сами называют результат «доказательством концепции», а не готовой технологией.

Но если эту молекулярную механику удастся перенести в твёрдотельные системы, правило «один фотон — один электрон» перестанет быть потолком. А потолок КПД солнечных батарей поднимется с 33,7% до теоретических 45%.

От раствора до крыши

Команда Сасаки уже обозначила следующий шаг: интеграция в твёрдотельные плёнки. По самым оптимистичным прогнозам, прототипы модулей с синглетной фиссией могут появиться к 2028–2030 годам. Массовое производство — это горизонт 2030-х.

Параллельно индустрия продвигает другой путь в обход предела Шокли-Квайссера — перовскит-кремниевые тандемы, которые уже вышли на стадию пилотного производства. Оба подхода не конкурируют, а дополняют друг друга: тандемы ловят больше спектра, фиссия выжимает больше из каждого фотона.