Материаловеды в Университете Эрлангена – Нюрнберга поставили новый рекорд КПД органических фотоэлементов, в которых не используются фуллерены. Проведя несколько сложных оптимизаций, они достигли коэффициента преобразования энергии 12,25 процентов на площади в один квадратный сантиметр. Достижение такой площади было необходимо для начала производства рабочих прототипов.
В последние годы в области органических фотоэлектрических систем (ОФС) был достигнут значительный прогресс. В большинстве случаев, органические солнечные фотоэлементы состоят из двух слоёв полупроводников — один из них служит донором электронов, а другой — акцептором, или проводником электронов. В противоположность кремниевым элементам, которые получают из расплава или осаждением в вакууме, слои полимера в ОФС получаются прямым осаждением из раствора на несущую плёнку. С одной стороны, это означает сравнительно низкие производственные затраты, а с другой стороны эти гибкие модули проще применять, чем кремниевые, в стеснённых городских условиях. Длительное время фуллерены – углеродные наночастицы – считались идеальными акцепторами, однако собственные потери основанных на фуллеренах композитов значительно снижают их эффективность. Таким образом, полученный в Университете Эрлангена – Нюрнберга результат приводит к смене парадигмы в этой области. «Совместно с китайскими коллегами мы создали новую органическую молекулу, которая поглощает свет сильнее, чем фуллерены, и при этом очень долговечна», — говорит профессор Кристофер Брабек, декан факультета материаловедения.
Комплексная стандартизация
Значительные рост эффективности и надёжности означает, что печатаемые гибридные ОФС становятся пригодными для коммерческого использования. Однако, для создания прототипов, пригодных для практического применения, технология должна быть перенесена с лабораторных квадратных миллиметров на стандартную площадку в один квадратный сантиметр. «Масштабирование часто приводит к значительным потерям», — отмечает д-р Нинг Ли, материаловед на кафедре профессора Брабека. В ходе проекта, финансируемого Немецким исследовательским фондом, группа Нинг Ли в Технологическом университете Южного Китая сумели значительно снизить потери, подстраивая параметры поглощения света, уровни энергии и микроструктуру органических полупроводников. Главной целью этой оптимизации была совместимость донора и акцептора и баланс между плотностью тока и напряжением в цепи, что важно для мощности вырабатываемой энергии.
Рекордная подтверждённая производительность
«Лучше всего нашу работу можно описать на примере коробки с деталями конструктора LEGO, — говорит д-р Ли. — Наши коллеги в Китае встраивали и подгоняли отдельные молекулярные группы в структуру полимера, и каждая из этих групп влияет на определённые характеристики, важные для работы солнечных элементов. В итоге получен КПД 12,25 процентов — это рекорд для однопереходных органических фотоэлементов площадью 1 кв.см, в которых акцептор не содержит фуллеренов. Примечательно, что исследователи сумели настолько снизить потери от масштабирования, что самый высокий КПД, полученный в лаборатории на малой площади, почти достиг 13 процентов. В то же время они показали устойчивость работы элементов в отношении температуры и солнечного света.
Следующий шаг — увеличение элементов до размеров модулей, используемых на солнечной электростанции «Solar Factory of the Future» в Нюрнберге, с последующим производством работоспособных прототипов.