Новое исследование в области высокоэффективных органических солнечных элементов

Учёные из университета Линчёпинга (Linkoping University) разработали образцы энергоэффективных органических солнечных элементов. Для этого были использованы экологически чистые растворители. Автор исследования профессор кафедры физики, химии и биологии в университете Линчёпинга — Фэн Гао (Feng Gao) говорит, что проведённые исследования являются важным шагом на пути к крупномасштабному промышленному производству стабильных и эффективных органических солнечных элементов.

Одной из проблем в этой сфере является производство органических солнечных элементов, которые являются стабильными и могут работать 10 и более лет. Другой проблемой является то, что максимальная энергия достигается в тех элементах, которые изготавливаются из растворов, содержащих токсичные растворители с низкой температурой кипения. Это создает большие проблемы при производстве, поскольку испарение раствора происходит слишком быстро.

Применение экологически чистых растворителей с более высокими температурами кипения приводит к падению энергоэффективности. Многие исследовательские группы по всему миру работали над этой проблемой. Теперь своё решение предлагают учёные из университета Линчёпинга (Швеция) и университета Сучжоу (Китай), которые объединили усилия в рамках совместного проекта.

Им удалось изготовить солнечный элемент при использовании раствора с высокой температурой кипения, не содержащего токсичных элементов. В результате была получена энергоэффективность более 17%. Площадь полученного образца составляет 36 см². Этот лабораторный прототип продемонстрировал эффективность преобразования энергии более 14%. Сейчас это самый высокий КПД для модулей органических солнечных элементов, имеющих активную площадь более 20 см².

Стоит отметить важность данного исследования, поскольку оно открывает путь к коммерческому использованию таких материалов. Один из авторов исследования – Руй Чжан (Rui Zhang) говорит, что полученный результат даёт возможность выпускать органические солнечные элементы в промышленных масштабах и использовать их в реальных условиях окружающей среды вне помещений.

Когда солнечный свет в форме фотонов поглощается органическим полупроводниковым материалом, он переходит в «возбужденное состояние». Электроны переходят на более высокий энергетический уровень, создавая «дыры» на более низком энергетическом уровне. Они притягиваются к нему, не освобождаясь полностью. Из-за этого не возникает фототок.

Авторы исследования провели ряд экспериментов, в ходе которых добавляли разные акцепторные материалы, которые принимают электроны. В результате они обеспечили возможность освобождения электронов и возникновения фототока. Несколько лет назад ученые в Китае разработали новый акцепторный материал, который они назвали Y6. Благодаря своим характеристикам, он может обеспечить высокую эффективность органических солнечных элементов.

В публикации по результатам исследования упоминается так называемая «гостевая молекула», которую называют BTO. Она обеспечивает гарантию того, что молекулы Y6 в солнечном элементе упакованы плотно и равномерно. Только в этом случае может генерироваться эффективный фототок. Добавление молекулы BTO также даёт возможность выпускать высокоэффективные солнечные элементы большой площади.

Профессор Яовен Ли (Yaowen Li) из Университета Сучжоу говорит, что их стратегия ведёт к выработке чётких правил проектирования для оптимизации взаимодействия между органическими донорами и акцепторами в многокомпонентных смесях. По его мнению, это обеспечит будущее развитие органических фотоэлектрических технологий.