Учёные занимаются повышением эффективности полимерных солнечных элементов с помощью добавок растворителей

Недавно учёным удалось визуализировать наноразмерные фототоки в полностью полимерном солнечном элементе. Для этого они использовали фотопроводящую атомно-силовую микроскопию. В результате эксперимента было обнаружено, что добавки растворителя в следовых количествах приводят к улучшению упорядочения и кристаллизации полимера. При этом не происходит никаких нежелательных изменений в масштабе фазового разделения, требуемого для работы устройства.

Полностью полимерные солнечные элементы образуются в результате объединения двух полимерных растворов. Они затвердевают и превращаются в плёнку на электроде с образованием взаимопроникающих сетей. Учёные называют это своего рода «фазовым разделением». В ходе проведенной работы было показано, что введение растворяющих добавок в раствор полимера, что увеличивает эффективность полимерных солнечных элементов.

При этом сами учёные отмечают, что точный процесс, который лежит в основе этого улучшения, пока не изучен до конца. Результаты своей работы исследовательская группа из Института науки и технологии Нара опубликовала в ACS Applied Polymer Materials. Там также указывается, что механизм повышения производительности был исследован с помощью фотопроводящей атомно-силовой микроскопии (РС-АСМ). Учёные надеются, что эти результаты помогут ускорить широкое внедрение солнечных элементов на полимерной основе.

Старший автор исследования, Хироаки Бентен, отмечает, что характер повышения эффективности, вызванного добавками растворителей, носит эмпирический характер. Этот факт препятствовал оптимизации производительности полностью полимерных солнечных элементов. Поэтому возникла необходимость в более глубоком понимании происходящих процессов, говорит Бентен. С этой целью они использовали PC-AFM для исследования наноархитектуры, чтобы понять процессы, лежащие в основе повышения производительности.

PC-AFM представляет собой передовой метод микроскопии, позволяющий визуализировать фототоки с разрешением в нанометровом масштабе. Как удалось обнаружить исследователям, в результате добавки растворителей улучшается плотность фототока и эффективность преобразования энергии. По их оценкам, рост этих показателей составляет примерно в три раза. Они объясняют это улучшением упорядочения и кристаллизации полимерной микроструктуры в солнечном элементе без повреждения структуры фазового разделения.

Дополнительно были проведены измерения абсорбционной спектроскопии, которые подтвердили, что следовые добавки улучшают упорядоченность микроструктуры полимера. Поток фототока увеличивается, благодаря формированию сети, которая эффективно переносит фотогенерированные заряды к внешнему электроду. Один из авторов исследования, Масакадзу Накамура, говорит, что им удалось обнаружить усиление локальных фототоков. По его словам это нечто вроде формирования новой магистрали зарядного тока. При этом им удалось сохранить масштаб разделения фаз, который имеет решающее значение для функциональности устройства, говорит Накамура. Он считает, что понимание этого процесса будет широко использоваться в будущих исследовательских работах по солнечным элементам, полностью состоящем из смеси полимеров.

С помощью полученных результатов учёные в дальнейшем планируют оптимизировать характеристики полностью полимерных солнечных элементов. А также это позволит ускорить работу по выводу таких устройств на рынок и свести к минимуму лабораторные пробы и ошибки.