Исследователи из Университета Канзаса совершили прорыв в изучении органических полупроводников, что открывает путь к созданию более эффективных и универсальных солнечных элементов.
Преимущества органики
Долгое время кремний доминировал в области солнечной энергетики. Его эффективность и долговечность сделали его основным материалом для фотоэлектрических панелей. Однако кремниевые солнечные элементы жесткие и дорогие в производстве, что ограничивает их применение на изогнутых поверхностях.
Органические полупроводники предлагают жизнеспособную альтернативу по более низкой цене и с большей гибкостью. «Они потенциально могут снизить производственные затраты на солнечные панели, поскольку эти материалы можно наносить на произвольные поверхности с помощью методов на основе растворов, так же, как мы красим стены», - поясняет Вай-Лун Чан, доцент кафедры физики и астрономии Университета Канзаса.
Но дело не только в экономии средств. Органические полупроводники обладают способностью настраиваться на поглощение определенных длин волн света, открывая множество новых возможностей. «Эти характеристики делают органические солнечные панели особенно подходящими для использования в экологически чистых зданиях нового поколения», - отмечает Чан. Представьте себе прозрачные и цветные солнечные панели, идеально интегрированные в архитектурные проекты.
Однако, несмотря на все эти преимущества, органическим солнечным элементам было сложно сравниться по эффективности с их кремниевыми аналогами. В то время как кремниевые панели могут преобразовывать до 25% солнечного света в электричество, эффективность органических элементов обычно составляет около 12%. Этот разрыв был серьезным препятствием для их повсеместного внедрения. Но,похоже, его удалось преодолеть.
Секрет эффективности
Последние разработки вновь подогрели интерес к органическим полупроводникам. Новый класс материалов, называемых нефуллеренами-акцепторами (NFA), повысил эффективность органических солнечных элементов до 20%, сократив разрыв с кремнием.
Исследовательская группа из Канзаса поставила перед собой цель понять, почему NFA работают намного лучше других органических полупроводников. 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 общепринятым представлениям. «Это наблюдение противоречит интуиции, поскольку возбужденные электроны обычно теряют свою энергию в окружающую среду, как чашка горячего кофе теряет тепло окружающей среде», - поясняет Чан.
Во главе с аспирантом Кушалом Риджалом команда экспериментировала с помощью сложной техники, называемой двухфотонной фотоэмиссионной спектроскопией с временным разрешением. Этот метод позволил им отслеживать энергию возбужденных электронов с точностью до триллионной доли секунды.
Поглощение энергии
Исследователи полагают, что этот необычный энергетический выигрыш возникает из сочетания квантовой механики и термодинамики. На квантовом уровне возбужденные электроны могут, по-видимому, существовать одновременно на нескольких молекулах.
В сочетании со вторым законом термодинамики это квантовое поведение меняет направление теплового потока.
«Для органических молекул, расположенных в определенной наноразмерной структуре, типичное направление теплового потока меняется на противоположное, чтобы увеличить общую энтропию. 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 генерировать электрический ток», - объясняет Риджал в пресс-релизе.
Использование энтропии
Помимо совершенствования солнечных элементов, команда считает, что их результаты применимы в других областях исследований возобновляемых источников энергии. Они полагают, что открытый 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 используется для улучшения работы устройств преобразования энергии», - говорит Риджал.
Результаты исследований были опубликованы в журнале Advanced Materials.
