Квантовая эффективность однокомпонентных органических солнечных элементов (справа) и характеристики органических солнечных элементов с объемным гетеропереходом (слева). Кредит: Университет Осаки
Органические солнечные элементы (OSC) — многообещающие альтернативы традиционным неорганическим солнечным элементам — обладают множеством особенностей, которые делают их ключевыми игроками в более зеленом будущем. Одной из таких особенностей является настраиваемая химия, которая позволяет ученым точно настраивать или изменять свойства химических систем для достижения желаемых результатов. Теперь исследователи из Японии настроили их для повышения эффективности преобразования энергии.
В исследовании, недавно опубликованном в Angewandte Chemie International Edition, исследователи из Университета Осаки сообщили о новом органическом полупроводнике, который обеспечивает лучшую эффективность преобразования энергии, чем общепринятый стандарт.
OSC легкие и гибкие, их можно производить в больших масштабах при относительно низкой стоимости. Поэтому они весьма перспективны для таких применений, как агровольтаика, где большие площади земли используются для одновременного выращивания сельскохозяйственных культур и преобразования солнечной энергии в электричество.
Обычно OSC содержат два органических полупроводника, один для транспортировки носителей заряда, известных как электроны (акцептор), и один для транспортировки других носителей, известных как дырки (донор). Ток течет в полупроводнике, когда экситоны — комбинация электрона и положительной дырки — расщепляются на эти носители, давая пары электрон-дырка. Экситоны тесно связаны друг с другом, но солнечный свет с достаточной энергией может заставить их диссоциировать и генерировать ток.
«Уменьшение количества энергии, необходимой для разрушения экситона — энергии связи экситона — облегчает преобразование света в желаемый ток», — объясняет ведущий автор исследования Сейхоу Джиннай. «Поэтому мы сосредоточились на факторах, которые способствуют энергии связи, одним из которых является расстояние между электроном и дыркой. Если оно увеличивается, то энергия связи должна уменьшаться».
Обзор разработанных органических полупроводников в этом исследовании. Кредит: Университет Осаки
Исследователи разработали молекулу с боковыми звеньями, которые имели эффект разделения частей молекулы, которые вмещают электрон и дырку. Синтезированная молекула была использована в качестве акцептора в объемном гетеропереходе OSC вместе с донорным материалом, и система показала повышенную эффективность преобразования энергии по сравнению с принятым стандартом. Молекула также была испытана как отдельный компонент OSC и показала лучшее преобразование света в ток.
«Разработанная нами молекула показывает, что природа боковых звеньев в молекулах акцептора является ключом к поведению экситона и его эффективности в результате», — говорит старший автор Ютака И. «Этот результат является важной демонстрацией того, чего можно достичь, настраивая химию для приложений OSC».
Полученные результаты указывают на потенциал рационального проектирования органических полупроводников и, как ожидается, приведут к созданию новых устройств, включая высокопроизводительные OSC и селективные по длине волны прозрачные OSC. Ожидается, что общее улучшение производительности также повысит потенциал OSC в крупномасштабных фотоэлектрических приложениях, что естественным образом приведет к альтернативам зеленой энергии.
Дополнительная информация: Кай Ван и др., Нефуллереновые акцепторы, несущие спиро-замещенные битиофеновые звенья в органических солнечных элементах: настройка распределения пограничных молекулярно-орбитальных систем для снижения энергии связывания экситона, Международное издание Angewandte Chemie (2024). DOI: 10.1002/anie.202412691
Информация о журнале: Angewandte Chemie International Edition Предоставлено Университетом Осаки
