Международная группа исследователей материалов из Франции, России и Казахстана нашла способ повысить эффективность органических солнечных элементов в несколько раз. Новое исследование, опубликованное в Journal of Chemistry A, показало, что упорядоченные структуры, основанные на органических молекулах, могут быть использованы для получения солнечной энергии.
Солнечные батареи являются одним из наиболее перспективных способов генерации электроэнергии. По состоянию на 2017 год совокупная мощность фотопанелей, установленных во всем мире, составляла 400 гигаватт. В солнечной энергетике наблюдается быстрый рост, который зависит от появления более эффективных и дешевых солнечных батарей.
Одним из способов улучшения является внедрение новых материалов. Основными элементами солнечной панели, преобразующей свет в электричество, являются фотогальванические элементы или солнечные элементы. Они в основном изготовлены из поликремния — очищенной поликристаллической формы кремния. Но ученые заняты поиском альтернативных материалов. Органические полимеры с фотовольтаическими свойствами являются одним из главных кандидатов для замены поликремния.
Группа исследователей из Франции (Страсбургский университет, Лионский университет, Институт естественных наук Мюлуза, Synchrotron SOLEIL), России (Московский физико-технический институт, МГУ) и Казахстана (Назарбаев Университет) описали способ повышения эффективности органических солнечных элементов путем включения атомов фтора в полимер. Процесс, известный как фторирование, усиливает фотовольтаические свойства полимера, но этот механизм еще плохо изучен. В новом исследовании показано влияние фторирования на эффективность ячеек.
Экспериментируя с различными модификациями полимера, команда повысила эффективность ячеек с 3,7 до 10,2%. Возможно, с дальнейшими изменениями органические солнечные элементы смогут опередить элементы на основе поликремния.
Полимер, используемый в эксперименте, имеет довольно сложную молекулярную структуру. Он состоит из цепочки повторяющихся звеньев. Каждый из них включает серные гетероциклы — кольца из одного атома серы и четырех атомов углерода — и углеводородные боковые цепи с разветвленной структурой.
Исследователи произвели ряд модификаций этого полимера, чтобы установить, какие из них лучше для фотовольтаики. Они изменили структуру, добавив атомы фтора и изменив длину боковых цепей. Одна полимерная конфигурация показала, что она обладает более превосходными свойствами. А именно, эффективность ячейки и выход тока были в несколько раз выше.
Затем группа исследовала микроскопическую структуру наиболее эффективного соединения. Рентгенологический анализ показал, что укладка полимера была более упорядочена. Кроме того, молекулы характеризовались более высокой подвижностью носителей заряда, что означает, что материал лучше проводит электричество. Для солнечной батареи это является преимуществом.
Соавтор исследования профессор Димитрий Иванов отметил технологические преимущества органических солнечных элементов. Их проще изготавливать, по сравнению с традиционными кремниевыми. Также светопоглощающие полимеры могут функционировать в виде тонкой пленки, а значит, что означает, что солнечным панелям не обязательно быть плоскими. Например, можно нанести органические солнечные батареи на черепицу.