Международная группа исследователей определила ключевую причину низкой эффективности органических солнечных элементов по сравнению с кремниевыми аналогами. Ученые также предложили способ оптимизации органических солнечных элементов, чтобы предотвратить потерю электричества в процессе работы. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Гибкие полупрозрачные органические солнечные элементы благодаря своим свойствам и дешевизне могут значительно расширить сферу применения солнечных технологий. Например, их можно устанавливать на наружных стенах зданий. Кроме того, производство таких органических солнечных элементов экологичнее, чем создание кремниевых панелей.
«В перспективе органические солнечные элементы могут дать гораздо больше, чем неорганические. Однако пока что типичный солнечный элемент на основе кремния может достигать эффективности от 20 до 25%, в то время как органические солнечные элементы могут достигать эффективности около 19% в лабораторных условиях, а в реальных — всего лишь 10–12%», — рассказывают ученые.
Органические солнечные элементы вырабатывают электричество, имитируя естественный процесс фотосинтеза в растениях, — различие только в том, что они используют солнечную энергию для выработки электричества, а не углекислый газ и воду для производства кислорода и органических веществ. Когда частица света (фотон) попадает на солнечный элемент, электроны возбуждаются и образуют так называемую дырку — квазичастицу, которая обладает положительным зарядом, равным элементарному заряду в полупроводниках. Связанное состояние этого возбужденного электрона и дырки называется экситоном. При преодолении взаимного притяжения между отрицательно заряженным электроном и положительно заряженной дыркой в экситоне, подобного притяжению между положительным и отрицательным полюсами магнита, образуется электрический ток.
Однако электроны в солнечных элементах могут быть потеряны в результате процесса, называемого рекомбинацией. Это ситуация, когда электроны теряют свою энергию (или выходят из состояния возбуждения) и возвращаются в состояние пустой дырки. Поскольку в органических материалах существует более сильное, чем в кремнии, притяжение между электроном и дыркой, органические солнечные элементы более склонны к рекомбинации, что влияет на их эффективность. Поэтому необходимо использовать два дополнительных элемента для предотвращения быстрой рекомбинации электрона и дырки — донора и акцептора электронов.
С помощью спектроскопии и компьютерного моделирования исследователи смогли отследить механизмы, действующие в органических солнечных элементах, — от поглощения фотонов до рекомбинации. Они обнаружили, что ключевой механизм потерь в органических солнечных элементах вызван рекомбинацией с определенным типом экситонов, известным как триплетный экситон.
В органических солнечных элементах на триплетные экситоны сложно повлиять, поскольку им энергетически выгодно образовываться из электронов и дырок. Исследователи обнаружили, что при создании сильных молекулярных взаимодействий между материалами — донорами электронов и материалами — акцепторами электронов можно удерживать электрон и дырку в отдалении друг от друга, предотвращая возникновение рекомбинации в триплетных экситонах. Это позволит солнечным батареям работать более эффективно.
Исследователи отмечают, что их метод позволит создавать органические солнечные элементы с эффективностью 20% или более. В рамках своего исследования авторы также смогли разработать правила проектирования донорных и электроноакцепторных материалов для достижения этой цели.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
