Блог

Nov 18, 2023

Исследование показывает, почему органические солнечные элементы так быстро разлагаются

Ученые Кембриджского университета раскрыли важную причину, почему

Ученые Кембриджского университета теперь выявили важную причину, по которой органические солнечные элементы быстро разрушаются при эксплуатации на открытом воздухе. Органические солнечные элементы демонстрируют большие перспективы в области экологически чистой энергетики. Однако фотоэлектрические модули, изготовленные из органических полупроводников, не сохраняют свою эффективность достаточно долго под солнечным светом для реального применения.

Отчетная статья опубликована в журнале Joule.

Новое открытие будет стимулировать разработку более стабильных материалов для фотоэлектрических систем на основе органических полупроводников, что позволит производить дешевую и возобновляемую электроэнергию.

В связи с недавним повышением эффективности, с которой солнечные элементы, изготовленные из органических (углеродных) полупроводников, могут преобразовывать солнечный свет в электричество, повышение долгосрочной стабильности этих фотоэлектрических устройств становится все более важной темой.

Реальные применения этой технологии требуют, чтобы эффективность фотоэлектрического устройства поддерживалась в течение многих лет. Чтобы решить эту ключевую проблему, исследователи изучили механизмы деградации двух компонентов, используемых в светопоглощающем слое органических солнечных элементов: материалов «донор электронов» и «акцептор электронов». Эти два компонента необходимы для разделения связанной электронно-дырочной пары, образовавшейся после поглощения фотона, на свободные электроны и дырки, составляющие электрический ток.

На изображении показано развитие событий по мере того, как органический солнечный элемент разлагается под воздействием воздействия. Исследование показывает, какую проблему обнаружила команда и как можно улучшить дизайн. Изображение предоставлено: Кембриджский университет. Для получения дополнительной информации щелкните отчет об исследовании, опубликованный в журнале Joule. При размещении статья находится в открытом доступе, без платного доступа.

В этом новом исследовании международная группа исследователей во главе с Кавендишской лабораторией Кембриджского университета впервые рассмотрела пути деградации как донорных, так и электроноакцепторных материалов. Детальное исследование материала донора электронов отличает текущую исследовательскую работу от предыдущих исследований и дает важные новые идеи в этой области.

В частности, идентификация сверхбыстрого процесса дезактивации, уникального для материала донора электронов, ранее не наблюдалась и открывает новый взгляд на деградацию материала в органических солнечных элементах.

Чтобы понять, как разлагаются эти материалы, исследователи Кавендиша работали в составе международной команды с учеными из Великобритании, Бельгии и Италии. Вместе они объединили исследования стабильности фотоэлектрических устройств, в которых работающий солнечный элемент подвергается воздействию интенсивного света, близкого к солнечному, со сверхбыстрой лазерной спектроскопией, выполненной в Кембридже.

С помощью этого лазерного метода им удалось идентифицировать новый механизм деградации материала донора электронов, включающий скручивание полимерной цепи. В результате, когда скрученный полимер поглощает фотон, он подвергается чрезвычайно быстрому пути дезактивации в фемтосекундном масштабе времени (миллионная миллиардная доля секунды). Этот нежелательный процесс происходит достаточно быстро, чтобы превзойти генерацию свободных электронов и дырок из фотона, что ученые смогли связать со снижением эффективности органического солнечного элемента после того, как он подвергся воздействию искусственного солнечного света.

Доктор Алекс Джиллетт, ведущий автор статьи, заметил: «Было интересно обнаружить, что такая, казалось бы, незначительная вещь, как скручивание полимерной цепи, может иметь такое большое влияние на эффективность солнечных батарей. В будущем мы планируем это сделать». Опираясь на наши результаты, сотрудничая с химическими группами для разработки новых электронодонорных материалов с более жесткими полимерными цепями. Мы надеемся, что это уменьшит склонность полимера к скручиванию и, таким образом, улучшит стабильность органических солнечных элементов».

Благодаря своим уникальным свойствам органические солнечные элементы могут использоваться в широком спектре применений, для которых традиционные кремниевые фотоэлектрические элементы не подходят. Это могут быть окна для генерации электроэнергии в теплицах, которые передают цвета света, необходимые для фотосинтеза, или даже фотоэлектрические батареи, которые можно свернуть для удобства транспортировки и мобильного производства электроэнергии. Таким образом, определяя механизм деградации, который необходимо решить, текущие исследования напрямую приближают к реальности следующее поколение фотоэлектрических материалов и приложений.