На протяжении многих лет кремний доминировал в области солнечной энергетики. Его эффективность и долговечность сделали его основным материалом для фотоэлектрических панелей. Однако солнечные элементы на основе кремния являются жесткими и дорогостоящими в производстве, что ограничивает их возможности для использования на криволинейных поверхностях.
С другой стороны, было известно, что органические полупроводники - материалы на основе углерода - представляют собой жизнеспособную альтернативу при меньших затратах и обладают большей гибкостью. “Они потенциально могут снизить себестоимость производства солнечных панелей, поскольку эти материалы можно наносить на любые поверхности, используя методы, основанные на растворах, - точно так же, как мы красим стены”, — пояснил Вай-Лун Чан, доцент кафедры физики и астрономии Университета Канзаса.
Но эти органические полупроводники позволяют не только экономить средства при их производстве. Они могут быть настроены на поглощение света определенной длины волны, что открывает множество новых возможностей. “Эти характеристики делают органические солнечные панели особенно подходящими для использования в экологически чистых зданиях нового поколения”, - отметил Чан. Представьте себе прозрачные и цветные солнечные панели, органично интегрированные в архитектурные проекты.
Таким образом, органические полупроводники предлагают жизнеспособную альтернативу фотоэлектрическим панелям на основе кремния. Исследователи из Университета Канзаса совершили прорыв в изучении органических полупроводников, что позволило создать более эффективные и универсальные солнечные элементы.
Однако, несмотря на все эти преимущества, органические солнечные элементы с трудом могут сравниться по эффективности со своими кремниевыми аналогами. В то время как кремниевые панели могут преобразовывать до 25 % солнечного света в электричество, эффективность органических элементов обычно колеблется в пределах 12 %. Этот разрыв оказался существенным препятствием для широкого внедрения.
Тем не менее, недавние разработки возродили интерес к органическим полупроводникам. Новый класс материалов, называемых нефуллереновыми акцепторами (NFA), приблизил эффективность органических солнечных элементов к 20 %, сократив разрыв с кремнием.
Исследовательская группа из Канзаса задалась целью понять, почему NFA работают намного лучше, чем другие органические полупроводники. Их исследование привело к удивительному открытию: при определенных обстоятельствах возбужденные электроны в NFA могут получать энергию из окружающей среды, а не терять ее. Это открытие противоречит общепринятому мнению. “Это наблюдение противоречит здравому смыслу, потому что возбужденные электроны обычно отдают свою энергию окружающей среде, подобно тому, как чашка горячего кофе отдает свое тепло окружающему пространству”, - объяснил Чан.
Команда под руководством аспиранта Университета Канзаса Кушала Риджала стала экспериментировать со сложной техникой, называемой двухфотонной фотоэмиссионной спектроскопией с временным разрешением. Этот метод позволил им отслеживать энергию возбужденных электронов менее чем за триллионную долю секунды. Исследователи полагают, что этот необычный прирост энергии обусловлен сочетанием квантовой механики и термодинамики. На квантовом уровне возбужденные электроны могут существовать одновременно на нескольких молекулах. В сочетании со вторым законом термодинамики это квантовое поведение изменяет направление теплового потока на противоположное.
“Для органических молекул, расположенных в определенной наноразмерной структуре, типичное направление теплового потока меняется на противоположное, что приводит к увеличению общей энтропии”, - пояснил Риджал в пресс-релизе. “Этот обратный тепловой поток позволяет нейтральным экситонам получать тепло из окружающей среды и распадаться на пару положительных и отрицательных зарядов. Эти свободные заряды, в свою очередь, могут вырабатывать электрический ток”.
Помимо совершенствования солнечных батарей, команда считает, что их результаты применимы и в других областях исследований в области возобновляемых источников энергии. Они полагают, что обнаруженный механизм приведет к созданию более эффективных фотокатализаторов для преобразования углекислого газа в органическое топливо. “Несмотря на то, что энтропия является хорошо известной концепцией в физике и химии, она редко активно использовалась для повышения производительности устройств преобразования энергии”, - подчеркнул Риджал.
Результаты исследования ученых из Университета Канзаса опубликованы в журнале Advanced Materials.