Ученые Политехнического университета Гонконга (PolyU) достигли революционной эффективности преобразования энергии (PCE) в 19,31% с помощью органических солнечных элементов (OSCS), также известных как полимерные солнечные элементы. Эта важная веха в повышении эффективности бинарного OSC значительно расширит возможности применения этих передовых устройств, использующих солнечную энергию.
PCE, важнейший показатель мощности, вырабатываемой при данном солнечном излучении, служит важным ориентиром для производительности фотоэлектрических систем (PVS) или солнечных панелей при производстве электроэнергии. Достижение исследователями эффективности, превышающей 19%, устанавливает новый рекорд для бинарных OSCS, которые состоят из одного донора и одного акцептора в фотоактивном слое.
Ученые разработали новый метод регулирования морфологии OSCS. В этом методе в качестве регулятора кристаллизации используется 1,3,5-трихлорбензол, что приводит к повышению эффективности и стабильности OSCS.
Команда внедрила немонотонную стратегию манипулирования промежуточным состоянием (ISM) для манипулирования морфологией OSCS с объемным гетеропереходом (BHJ), оптимизируя как динамику кристаллизации, так и потери энергии в OSCS без фуллерена. В отличие от традиционных добавок-растворителей, которые основаны на чрезмерной агрегации молекул в пленках, стратегия ISM способствует формированию более упорядоченного молекулярного штабелирования и благоприятной молекулярной агрегации. В результате PCE значительно увеличивается, в то время как нежелательные потери при безызлучательной рекомбинации уменьшаются. Известно, что безызлучательная рекомбинация снижает эффективность генерации света и увеличивает потери тепла.
Выводы исследовательской группы подробно изложены в исследовании под названием “Бинарный органический солнечный элемент на 19,3% и низкая безызлучательная рекомбинация, обеспечиваемая немонотонным переходом в промежуточное состояние”, опубликованном в Nature Communications. Преобразование солнечной энергии в электричество имеет решающее значение для достижения устойчивой окружающей среды. Хотя OSCS демонстрируют многообещающие результаты в качестве экономичных устройств для использования солнечной энергии, их эффективность должна быть повышена для широкого практического применения.
– Проблемы в исследованиях связаны с существующими методами контроля морфологии эталонных образцов на основе добавок, которые страдают от потерь при безызлучательной рекомбинации, что приводит к снижению напряжения разомкнутой цепи из-за чрезмерной агрегации, – отметил профессор Ли.
Исследовательская группа посвятила около двух лет разработке немонотонной стратегии ISM, направленной на повышение эффективности OSC и снижение потерь при безызлучательной рекомбинации. Ожидается, что публикация этого исследования активизирует исследования OSC.
– Новые результаты, несомненно, сделают исследования OSC захватывающей областью, открывая огромные возможности в таких приложениях, как портативная электроника и встроенные в здания PVS, – подчеркнул профессор Ли.
Настоящий прорыв произойдет, когда недорогие однопереходные OSCS достигнут PCE более чем на 20%, что сопровождается повышенной стабильностью и дополнительными преимуществами, такими как гибкость, прозрачность, растягиваемость, малый вес и настраиваемый цвет.
Профессор Ли был признан высоко цитируемым исследователем в течение девяти лет подряд, начиная с 2014 года, что свидетельствует о его значительном влиянии на глобальные исследования. Его новаторский вклад в исследования полимерных солнечных элементов с 2005 года получил мировое признание и оказал устойчивое влияние на развитие печатной солнечной энергетики.
– Последнее исследование демонстрирует рекордно низкие потери при безызлучательной рекомбинации – 0,168 эВ в бинарном OSC с PCE, превышающим 19%, – заключил ученый. – Этот весьма обнадеживающий результат представляет собой кульминацию моих двухдесятилетних исследовательских усилий в области OSCS. Мы уже добились повышения эффективности OSC, что, несомненно, ускорит широкое применение солнечной энергии.