Исследователи из японского университета Тиба (Chiba University) обнаружили способ уменьшить потери энергии в органических солнечных элементах, не жертвуя при этом силой генерируемого электрического тока. Новое открытие может помочь преодолеть одно из главных препятствий, которое мешает этой перспективной технологии конкурировать с традиционными кремниевыми солнечными панелями.
Органические солнечные батареи разрабатываются уже более 60 лет. В отличие от привычных кремниевых модулей, они могут быть легкими, гибкими и относительно простыми в производстве. Такие элементы потенциально способны превратить в источники энергии самые разные поверхности — от одежды и носимой электроники до изогнутых фасадов зданий и прозрачных солнечных окон.
Однако у технологии есть существенный недостаток: при преобразовании солнечного света в электричество значительная часть полученной энергии теряется. Ученые давно пытаются уменьшить эти потери, но сталкиваются с непростой проблемой: улучшение одного показателя нередко приводит к ухудшению другого.
Теперь японским исследователям удалось обнаружить закономерность, которая может помочь разорвать этот замкнутый круг.
Почему органические солнечные батареи теряют эффективность?
В основе органических фотоэлектрических элементов лежат углеродсодержащие материалы, способные поглощать солнечный свет и преобразовывать его энергию в электричество.
Важную роль в этом процессе играют два типа материалов: донор и акцептор. Донор поглощает свет и участвует в образовании электрических возбуждений, а акцептор помогает принимать электроны. На границе между ними происходит разделение электрических зарядов, необходимых для возникновения тока.
Но здесь возникает физическая проблема. После поглощения фотона образуется экситон — связанная пара из отрицательного электрона и положительной дырки. Чтобы получить электричество, эту пару необходимо разделить на свободные заряды.
На эффективность процесса влияют энергетические характеристики материалов и условия на границе между донором и акцептором. Если зарядам трудно разделиться, часть поглощенной энергии оказывается потерянной.
Одна из ключевых задач исследователей — уменьшить энергетические потери при разделении зарядов, сохранив при этом высокий фототок, то есть электрический ток, возникающий под воздействием света.
Как работает новый подход?
Команда ученых обнаружила термодинамическую границу, определяющую условия эффективной генерации фототока. Одновременно исследователи выяснили, что важную роль в снижении потерь могут играть более жесткие, то есть менее подвижные и лучше сохраняющие свою геометрию, молекулы донора.
В нескольких исследованных устройствах использование таких молекул позволило снизить эффективную энергию связи состояния переноса заряда (CT, charge-transfer) до 0,1 электронвольта или даже ниже.
Что это означает на практике?
Состояние переноса заряда возникает на этапе, когда электрон переходит от донорного материала к акцепторному, но положительный и отрицательный заряды еще остаются связанными друг с другом. Чем меньше энергия их связи, тем легче им окончательно разделиться и стать свободными носителями электрического заряда.
Таким образом, снижение этой энергетической величины облегчает извлечение электричества из поглощенного солнечного света.
Ученые также установили, что высокий фототок можно сохранить, если оптическая энергетическая щель донорного материала будет близка к энергии, необходимой для образования свободных носителей заряда.
Проще говоря, материал должен поглощать ровно столько энергии солнечного света, сколько требуется для освобождения электрических зарядов. Если энергетические параметры подобраны правильно, меньше энергии будет теряться в виде тепла.
Как ученые проверяли свою гипотезу?
Для изучения закономерностей исследователи создали упрощенные органические солнечные элементы с отдельными донорными и акцепторными слоями.
Донорный слой поглощал видимый свет, тогда как прозрачный акцепторный слой пропускал солнечное излучение. Затем ученые исследовали комбинации пяти донорных материалов с различной молекулярной структурой и степенью жесткости, а также 15 акцепторных материалов.
Электронное сродство последних находилось в диапазоне от 2,0 до 3,1 электронвольта.
Чтобы определить энергетические характеристики компонентов, команда использовала два специализированных метода: ультрафиолетовую фотоэлектронную спектроскопию и низкоэнергетическую обратную фотоэлектронную спектроскопию.
Эти методы позволили измерить энергию ионизации донорных материалов и электронное сродство акцепторов непосредственно в твердом состоянии. Благодаря этому исследователи смогли оценить энергетические уровни веществ в условиях, более близких к тем, которые возникают внутри работающей солнечной батареи.
При этом ученые подчеркивают, что одной лишь энергии связи состояния переноса заряда недостаточно для прогнозирования эффективности устройства. На результат также влияют расстояние, на которое распространяются заряды внутри молекул, взаимное расположение донорных и акцепторных молекул, а также электростатические условия на границе между слоями.
Где пригодятся более эффективные органические солнечные элементы?
Несмотря на перечисленные сложности, лабораторные образцы органических солнечных батарей уже преодолели отметку в 20% эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую.
Новое исследование предлагает дополнительные ориентиры для дальнейшего совершенствования этой технологии. Вместо того чтобы просто экспериментировать с составом материалов, разработчики получают более четкое представление о том, какие энергетические характеристики необходимо учитывать при проектировании молекул.
Потенциальная область применения таких элементов особенно широка там, где традиционные кремниевые панели оказываются неудобными.
Например, гибкие органические модули можно интегрировать в носимую электронику, использовать на изогнутых поверхностях или встраивать в архитектурные конструкции. Они также представляют интерес для устройств, в которых важны небольшой вес, компактность и возможность получать энергию непосредственно от окружающего освещения.
Как отметил руководитель исследования, профессор Центра передовых исследований университета Тиба Хирохико Фукагава (Hirohiko Fukagawa), в перспективе подобные устройства могут сделать сбор солнечной энергии более практичным в легких, гибких и ограниченных по площади конструкциях, где обычные кремниевые модули использовать затруднительно.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Advanced Materials.
Новый шаг к солнечной энергетике без жестких ограничений
Открытие японских ученых пока не означает появления принципиально новой солнечной батареи с рекордными характеристиками. Скорее, речь идет о важном фундаментальном результате, который помогает лучше понять физические ограничения органической фотоэлектрики.
Главная ценность работы заключается в обнаружении взаимосвязи между молекулярной структурой донорных материалов, энергетическими потерями и эффективностью разделения зарядов.
Это знание может стать основой для создания следующего поколения органических солнечных элементов — более производительных, легких и гибких. И хотя до массового применения подобных устройств еще предстоит решить немало инженерных задач, исследователи получили новые ориентиры для развития технологии, которая в будущем способна дополнить традиционную солнечную энергетику.
