Российские ученые вместе с китайскими коллегами разработали высокоэффективные органические солнечные батареи. Они оказались эффективнее и устойчивее к нагреванию и освещению благодаря добавлению к стандартной смеси «донор + акцептор» третьего компонента, поглощающего свет в промежуточном диапазоне между ними. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликованной в Journal of Materials Chemistry A, помогут приблизить время, когда гибкие, легкие и экологичные органические солнечные батареи получат широкое распространение в быту и промышленности.
Энергетика остается одним из основных источников выбросов углерода, которые страны всего мира стараются сокращать. Один из путей — использование альтернативных способов получения электричества, например, преобразование в него солнечного света.
В основе фотовольтаических устройств, способных на это, лежит фотоэффект, когда под действием квантов света (фотонов) электроны вырываются из одного органического полупроводника (донора) и переходят в другой (акцептор). В месте их ухода остаются положительные заряды — «дырки», которые при включении такого фотоэлемента в электрическую цепь движутся к положительному электроду (аноду), а электроны — к отрицательному электроду (катоду), в результате чего возникает электрический ток.
«Это обычное устройство органических солнечных батарей — легких, компактных, гибких, прочных и потенциально полупрозрачных систем. Однако сейчас есть ряд проблем, ограничивающих широкое применение таких устройств. Например, в процессе работы они поглощают свет в относительно узком спектральном диапазоне, велики потери энергии при передаче зарядов между их компонентами, и при этом солнечный элемент недостаточно стабилен, особенно при неизбежном нагревании», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Пономаренко, доктор химических наук, заведующий лабораторией функциональных материалов для органической электроники и фотоники, директор Института синтетических полимерных материалов имени Н.С. Ениколопова РАН.
Сотрудники ИСПМ РАН (Москва) совместно с китайскими коллегами из Уханьского университета решили эту проблему и создали высокоэффективные органические солнечные батареи на основе тройных смесей органических полупроводников. Они разработали и добавили еще один компонент — сложную органическую молекулу, которую можно достаточно просто синтезировать. Она поглощает солнечный свет в промежуточном диапазоне спектра между донором и акцептором. В результате фотоэффект запускается во всех трех полупроводниках, но носителям заряда проще мигрировать: дополнительный компонент служит мостиком, «перейти» по которому электронам проще, чем перепрыгнуть с одного «берега» (донора) на другой (акцептор). Потери энергии, соответственно, снижаются, и в итоге удалось повысить эффективность преобразования солнечного света до 18% (в сравнении с исходными 16%), что соответствует мировому уровню для данного типа устройств.
Кроме того, добавка улучшила структуру органических солнечных элементов, сделав ее более устойчивой к нагреванию и воздействию света. Малая стабильность обычных органических солнечных батарей обусловлена достаточно слабыми межмолекулярными связями. Вещество за счет специфических боковых групп, активно взаимодействующих с исходными донором и акцептором, послужило своего рода легирующей добавкой — совсем как примеси в сплаве, улучшающие его свойства. Фотоэлемент стал более устойчивым к нагреванию: критический фазовый переход, при котором устройство теряет свою активность, начинался не при 100°C, а при 110°C. При моделировании обычной рабочей температуры в 85°C авторы выяснили, что у модифицированной системы спустя 1000 часов эффективность преобразования солнечной энергии в электричество снизилась до 86% от изначальной, тогда как у исходной — до 67%. Аналогичный результат исследователи получили, освещая образцы светом, по спектру схожим с солнечным: спустя то же время эффективность трехкомпонентного материала упала до 75%, двухкомпонентного — до 60%.
«Органические солнечные батареи являются легкими, гибкими и безопасными для окружающей среды как в процессе эксплуатации, так и после их утилизации. Создание их стабильных и эффективных моделей и прототипов приближает перспективу широкого использования подобных устройств в различных областях: фотовольтаике, интегрированной в здания на крышах, стенах и окнах, в автомобилях, авиационной и космической технике, а также для зарядки различных портативных устройств в полевых условиях», — подводит итог Сергей Пономаренко.