Полимерные солнечные элементы давно манили разработчиков своей лёгкостью, гибкостью и возможностью печатать их, как газету. Но на пути к реальному применению всегда стояла одна большая проблема: они быстро теряли эффективность под солнцем и на воздухе. Теперь исследователи из Уханьского технологического университета (Wuhan University of Technology) нашли способ решить эту головную боль.
Новая разработка, описанная в журнале Matter, показывает рекордные для полимерных батарей показатели: эффективность преобразования света в электричество достигла 19,1 %, а главное — стабильность. После 2000 часов непрерывной работы на открытом воздухе элементы сохраняют 97 % исходной мощности. Экстраполированный срок службы превышает 100 000 часов — это больше 11 лет без заметной деградации.
В чём была проблема и как её победили
Полимерные акцепторы (PMA), такие как PY-IT, страдают от двух слабых мест. Во-первых, как и у малых молекулярных акцепторов (SMA), у них есть хрупкая связь C–C в центре молекулы. Во-вторых, между повторяющимися звеньями полимерной цепи тоже есть слабое место. Под действием света и тепла цепи начинают «распутываться», появляются лишние пустоты, нарушается упаковка молекул — и эффективность падает.
Решение оказалось удивительно простым и элегантным: учёные добавили в полимерную матрицу небольшое количество малых молекулярных акцепторов. Эти «гости» буквально раздвигают длинные полимерные цепи, уменьшают свободный объём и заставляют молекулы укладываться плотнее и упорядоченнее. В итоге возникают идеальные «дороги» для движения зарядов, а лишние пустоты исчезают. Эффект получился двойной: и эффективность выросла, и стабильность взлетела.
«Простая стратегия одновременно создаёт эффективные пути для транспорта зарядов и уменьшает свободный объём в фотоактивном слое», — объясняет соавтор исследования Тао Ван.
Почему это важно для будущего
Полимерные солнечные элементы идеально подходят для гибких панелей, которые можно наклеивать на стены, крыши автомобилей, одежду или даже окна. Они лёгкие, дешёвые в производстве и не требуют редких материалов. Теперь, когда удалось решить главную проблему долговечности, дорога к массовой коммерциализации становится намного короче.
Авторы работы уверены: их подход открывает путь к по-настоящему жизнеспособным органическим фотогальваническим материалам и архитектурам, которые смогут работать в распределённых системах устойчивой энергетики — от умных городов до портативных устройств.
