Ученые улучшили эффективность работы органических солнечных батарей
Органические высокоэффективные солнечные батареи разработала команда ученых московского Института синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова (ИСПМ) РАН и Уханьского университета, КНР, сообщает 9 сентября научно-информационный портал «Поиск».
Более эффективными и долговечными органические солнечные батареи сделала добавка к стандартной смеси «донор + акцептор» третьего светопоглощающего компонента, поглощающего свет в промежуточном диапазоне между ними, который и обеспечил этим устройствам устойчивость к нагреванию и освещению.
Результаты исследования ученые представили в статье «Высокоэффективные тройные солнечные элементы за счет введения акцептора со средней шириной запрещенной зоны с дополнительным поглощением, снижения энергетического беспорядка и повышения температуры стеклования», опубликованной в Journal of Materials Chemistry A.
Одним из путей сокращения выбросов углерода, которые принято считать главной причиной глобального потепления, является внедрение альтернативных способов выработки электроэнергии вместо традиционных, использующих углеводороды в качестве топлива для электростанций.
Одним из таких путей является преобразование в электричество солнечного света. Фотовольтаические устройства, которые осуществляют такое преобразование, основаны на фотоэффекте: воздействие квантов света, фотонов, выбивает электроны из одного полупроводника, называемого донором, которые переходят в другой полупроводник, называемый акцептором.
Положительные заряды, остающиеся в месте ухода электронов, называются «дырками». При включении такого полупроводника (фотоэлемента) в электрическую цепь «дырки» движутся к положительному заряженному аноду, а электроны — к отрицательному катоду, что и создает электрический ток.
Руководитель проекта, доктор химических наук, завлабораторией функциональных материалов для органической электроники и фотоники, директор ИСПМ РАН Сергей Пономаренко пояснил:
«Это обычное устройство органических солнечных батарей — легких, компактных, гибких, прочных и потенциально полупрозрачных систем. Однако сейчас есть ряд проблем, ограничивающих широкое применение таких устройств. Например, в процессе работы они поглощают свет в относительно узком спектральном диапазоне, велики потери энергии при передаче зарядов между их компонентами, и при этом солнечный элемент недостаточно стабилен, особенно при неизбежном нагревании».
В созданных учеными трехкомпонентных органических полупроводниках добавленный третий компонент — сложная органическая молекула, которую можно достаточно легко синтезировать, поглощает солнечный свет в промежуточном диапазоне спектра между донором и акцептором.
При этом фотоэффект действует во всех трех частях полупроводника, но для носителей заряда дополнительный компонент служит мостиком, который снижает потери при «перепрыгивании» электронов с «берега-донора» на «берег-акцептор». Это повышает эффективность преобразования солнечной энергии до 18% против исходных 16%, которые соответствуют мировому уровню для данного типа устройств.
Добавка также улучшила структуру органических солнечных элементов, которая стала устойчивее к нагреванию и воздействию света: критический фазовый переход, при котором фотоэлемент теряет свою активность, начинается при 110 °C, а не при 100 °C, как у двухкомпонентного устройства.
При обычной рабочей температуре в 85 °C у модифицированной системы спустя 1000 часов эффективность преобразования солнечной энергии в электричество снизилась до 86% от изначальной, а у исходной — до 67%, отмечают ученые.
Аналогичный результат исследователи получили, освещая образцы светом, по спектру схожим с солнечным: спустя то же время эффективность трехкомпонентного материала упала до 75%, а двухкомпонентного — лишь до 60%.
Подводя итог, Сергей Пономаренко заявил: «Органические солнечные батареи являются легкими, гибкими и безопасными для окружающей среды как в процессе эксплуатации, так и после их утилизации. Создание их стабильных и эффективных моделей и прототипов приближает перспективу широкого использования подобных устройств в различных областях: фотовольтаике, интегрированной в здания на крышах, стенах и окнах, в автомобилях, авиационной и космической технике, а также для зарядки различных портативных устройств в полевых условиях».
