Органические солнечные элементы: новый подход к повышению КПД

Солнечные элементы на основе кремния доминируют на рынке, однако инженеры активно исследуют альтернативные фотовольтаические (PV) материалы. Одним из перспективных направлений являются органические солнечные элементы (OSC) – легкие и гибкие устройства, созданные на основе органических полупроводниковых материалов.

Принцип работы OSC основан на активном слое, состоящем из двух типов материалов: донорного и акцепторного. Оба поглощают солнечный свет, генерируя экситоны. При их распаде на границе донорного и акцепторного слоев образуются электроны и дырки. Дырки перемещаются в донорном материале, а электроны – в акцепторном, обеспечивая их проток к электродам и генерацию электричества.

В отличие от кремниевых аналогов, OSC обладают потенциалом быть более гибкими, легкими, доступными и легко адаптируемыми под специфические задачи, например, путем изменения цвета или прозрачности. Тем не менее, их эффективность преобразования солнечной энергии пока уступает коммерческим PV-устройствам.

Перспективной стратегией для повышения КПД OSC является использование класса акцепторных материалов, известных как не-фуллереновые акцепторы (NFA). Однако молекулы этих материалов сложно кристаллизовать в однородные решетки, необходимые для достижения желаемого прироста эффективности.

Исследователи из Гонконгского политехнического университета, Сычуаньского университета и других институтов разработали новый двухэтапный процесс кристаллизации, который позволяет получать более однородные NFA. В результате применения этого подхода, описанного в журнале Nature Energy, были получены высококачественные акцепторные материалы, значительно повысившие эффективность OSC.

«Активный слой OSC, состоящий из смеси донорного (D) и акцепторного (A) материалов, и наноструктурное расположение донорных и акцепторных молекул (морфология) играют ключевую роль в повышении эффективности устройства, однако эта задача остается сложной», – комментирует профессор Ганг Ли, старший автор исследования. «В данной работе мы использовали аценафтен (AP) в качестве регулятора кристаллизации для управления динамикой кристаллизации NFA. Полученный активный слой OSC демонстрирует беспрецедентно высокоориентированную укладку молекул NFA с четко определенными дифракционными пятнами. Мы достигли КПД 21% (20,5% сертифицировано) с максимальным фактором заполнения (FF) 83,2% (82,2% сертифицировано)».

Два десятилетия назад профессор Ли опубликовал работу в Nature Materials, где представил новый метод улучшения морфологии OSC. Он продемонстрировал, что самоорганизация полимерных молекул может значительно повысить кристалличность активного слоя полимер-фуллерен в OSC, увеличивая их эффективность.

Опираясь на это открытие, он продолжил поиск перспективных стратегий для улучшения кристаллизации активного слоя OSC. Это привело к его последнему исследованию, проведенному в сотрудничестве с учеными из различных институтов Китая.

«В этой работе мы сначала использовали метод послойного нанесения донора и акцептора для формирования би-континуальных фаз, обеспечивая идеальное вертикальное разделение фаз в активном слое», – пояснил профессор Ли. «Регулятор кристаллизации – аценафтен – является ключом к управлению динамикой кристаллизации слоя NFA поверх пленки полимерного донора, что приводит к упорядочиванию активного слоя на уровне квази-монокристаллического».

Для оценки потенциала предложенного процесса кристаллизации исследователи использовали различные методы для мониторинга формирования тонких пленок органических акцепторов. Кроме того, они применили вычислительный метод на основе квантовой механики (расчеты функционала плотности) для моделирования взаимодействий между молекулами и используемым регулятором.

«Мы подтвердили, что аценафтен инициирует двухэтапную кристаллизацию с отложенным началом, что способствует формированию высококачественных кристаллических NFA и оптимизированной морфологии OSC», – отметил профессор Ли. «Эта стратегия также показала свою эффективность на нескольких передовых системах материалов OSC».

Примененная исследователями стратегия нанесения с использованием вспомогательного регулятора позволила получить однородные NFA, которые были интегрированы в бинарные OSC. Эти солнечные элементы достигли эффективности до 21%, что является впечатляющим показателем для OSC, но все еще уступает кремниевым солнечным элементам.

«Высокая эффективность и стабильность – ключевые требования для новых солнечных элементов, таких как OSC», – добавил профессор Ли. «При соблюдении этих требований технология OSC сможет открыть новые возможности для применения, включая гибкие, легкие, портативные, эстетически привлекательные и настраиваемые полупрозрачные солнечные решения. Мы продолжим работать над повышением эффективности и стабильности OSC, а также над созданием устройств с привлекательным форм-фактором (гибкие, эстетичные, прозрачные и т.д.). Мы также будем заниматься масштабируемыми методами производства и интеграцией ячеек с другими устройствами для реальных применений, таких как «умные» окна с функцией электропитания».