Ученые узнали, что делает работу органических солнечных батарей эффективнее

Ученые узнали, почему повышается эффективность работы недорогих и легких в изготовлении органических солнечных батарей при введении добавок, повышающих светочувствительность (сенсибилизаторов). Полученные данные помогут глубже понять процессы, протекающие в органических солнечных батареях, что, соответственно, приведет к увеличению их коэффициента полезного действия. Над исследованием работали ученые Института высокомолекулярных соединений (ИВС) РАН в сотрудничестве со специалистами из Института физической химии и электрохимии им. Фрумкина (ИФХЭ) РАН и зарубежными коллегами. Исследования проходят в рамках госзадания Минобрнауки России «Синтез функциональных фото- и электроактивных полимеров».  

Органические солнечные батареи предназначены для преобразования энергии Солнца в электрическую. По сравнению с традиционными кремниевыми солнечными батареями они обладают существенными преимуществами: низкой стоимостью, малым весом, механической гибкостью, простотой производства, доступностью и нетоксичностью сырья. Поэтому в последние десятилетия органические батареи привлекают все больше внимания.

Однако эффективность стандартных образцов органических солнечных батарей составляет всего 7-8%, а лучших – примерно 18%, в то время как коэффициент полезного действия промышленных образцов кремниевых солнечных батарей более 25%. Поэтому ученые разрабатывают новые составы для органических батарей и занимаются вопросами увеличения эффективности уже существующих.

Как сообщает Минобрнауки России, за время работы над органическими солнечными батареями исследователи выяснили, что способствует улучшению их характеристик: введение в структуру рабочего слоя различных сенсибилизирующих добавок, таких как квантовые точки, красители и др. Квантовыми точками называют фрагменты проводника или полупроводника, носители заряда которого ограничены в пространстве по всем трем измерениям. Введение неорганических квантовых точек в стандартные фотовольтаические смеси (донор + акцептор) не только способствует повышению их эффективности, но и увеличивает долговечность и стабильность батарей.

Несмотря на то что механизм преобразования солнечной энергии в электрическую хорошо изучен, до сих пор не исследован сам процесс взаимодействия полимера (донора электронов), производных фуллерена (акцептора электронов) и сенсибилизаторов в рабочем слое органических солнечных батарей.

Ученые Института высокомолекулярных соединений РАН с помощью метода диэлектрической спектроскопии впервые исследовали молекулярную подвижность полимера в составе трехкомпонентной фотовольтаической смеси донор-акцептор-сенсибилизатор. Оказалось, что квантовые точки, взаимодействуя с макромолекулами полимера, увеличивают подвижность его боковых групп. Это приводит к более интенсивному распаду квантов солнечной энергии в рабочем слое органических солнечных батарей на носители заряда (электроны и дырки), их перемещению и накоплению на соответствующих электродах. Именно это и приводит к увеличению эффективности батарей.

«Мы надеемся, что полученные результаты будут способствовать более глубокому пониманию процессов, протекающих в органических солнечных батареях, что, в свою очередь, приведет к созданию нового поколения ОСБ, более долговечных и сравнимых по эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую с кремниевыми солнечными батареями. Это позволит в ближайшем будущем заменить кремниевые солнечные батареи экономически и экологически более выгодными органическими солнечными батареями», – прокомментировал Сергей Бронников, заместитель директора по научной работе ИВС РАН, доктор физико-математических наук, профессор.

Работы в этом направлении продолжаются: планируется исследовать молекулярную подвижность полимера (донора электронов) в активном слое фотовольтаической ячейки, содержащей, кроме производного фуллерена (акцептор электронов), сенсибилизатор – краситель, повышающий эффективность работы органических солнечных батарей. В качестве красителя предполагается использование металл-порфириновых комплексов.

Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале Physical Chemistry Chemical Physics [Asandulesa M., Kostromin S., Aleksandrov A., Tameev A., Bronnikov S. The effect of PbS quantum dots on molecular dynamics and conductivity of PTB7:PC71BM bulk heterojunction as revealed by dielectric spectroscopy // Physical Chemistry Chemical Physics. 2022, 24(16) 9589-9596 https://doi.org/10.1039/D2CP00770C