Международная группа ученых, в которую входят специалисты МФТИ, показала, что упорядоченные структуры на основе органических молекул могут стать основой для солнечных батарей. Используя такие структуры, ученые нашли способ повысить эффективность органических фотопреобразователей в несколько раз.
На страницах журнала Journal of Materials Chemistry A группа французских исследователей при участии ученых из МФТИ описала один из способов повысить эффективность органических фотопреобразователей при помощи добавления к полимеру атомов фтора. Ранее полученные данные указывали, что фторированные молекулы образуют упорядоченную структуру и это существенно улучшает фотоэлектрические свойства материала, но полного понимания сути этого процесса у химиков не было. Экспериментируя с модификациями исходных молекул, международный коллектив ученых смог добиться роста эффективности образцов с 3,7 до 10,2%. Это все еще меньше хороших коммерческих солнечных батарей, однако столь значительное увеличение КПД заставляет всерьез отнестись к новому материалу: такими темпами он может и перегнать сегодняшних фаворитов.
На молекулярном уровне использованный полимер представляет собой цепочку из звеньев довольно сложной конфигурации. Каждое звено включало несколько гетероциклов с серой (замкнутые пятиугольники из четырех атомов углерода и одного атома серы), а также боковые углеводородные цепочки, имеющие разветвленную структуру.
PF2 — модификация с фтором. Изображение: Елена Хавина (пресс-служба МФТИ), по материалам авторов статьи
Варьируя длину боковых цепей и наличие атомов фтора, исследователи обнаружили, что удачная комбинация отличается в разы как большей эффективностью, так и большим выдаваемым током. На микроскопическом уровне молекулы «удачного» вещества формировали более упорядоченные стопки (это было показано при помощи рентгеноструктурного анализа) и отличались большей подвижностью носителей заряда — последняя связана с электрической проводимостью, которая, очевидно, должна быть у солнечной батареи достаточно высокой.
По словам профессора Дмитрия Иванова, заведующего лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ, директора исследований Национального центра научных исследований (Франция), «для оптимизации эффективности органической солнечной батареи необходимо было не только правильно подобрать молекулярные энергетические уровни донора и акцептора, но и создать соответствующую надмолекулярную структуру, облегчающую перенос зарядов на электроды».
Исследователь указал, что органические солнечные батареи могут оказаться более технологичными: процесс производства имеет меньше стадий по сравнению с традиционными кремниевыми фотопреобразователями, хорошо поглощающее свет вещество можно наносить гораздо более тонким слоем, а сами батареи не обязательно делать плоскими.
«Органические батареи можно наносить, к примеру, на черепичную крышу», — прокомментировал Иванов.
