Органические солнечные элементы - это новая многообещающая технология. В отличие от вездесущих кремниевых солнечных панелей, они потенциально могут быть легкими, гибкими и иметь различные цвета, что делает их особенно привлекательными для городских или фасадных применений. Однако дальнейшее повышение производительности устройств было вялым, поскольку исследователи работают над пониманием фундаментальных процессов, лежащих в основе работы органических солнечных элементов.

Теперь инженеры из Принстонского университета и Университета науки и технологий имени Короля Абдаллы описали новый способ определения потерь энергии в органических солнечных элементах и расширили это описание, чтобы дать рекомендации по разработке наилучших устройств. Этот прорыв может переосмыслить традиционный подход к созданию органических солнечных элементов. Их работа была опубликована 18 ноября в журнале Joule.

"Существовал способ, которым традиционно описывались и определялись потери энергии в органических солнечных элементах. И оказывается, что это описание было не совсем правильным", - сказал Барри Рэнд, соавтор исследования и адъюнкт-профессор электротехники и вычислительной техники и Центра энергетики и окружающей среды Андлингера.

Рэнд указала, что традиционный метод описания потерь энергии не учитывает наличие беспорядка в органическом солнечном элементе. Один тип расстройства, динамическое расстройство, вызвано беспорядочным движением молекул на микроуровне, что приводит к потере энергии, которая практически неизбежна при большинстве температур. Другой тип, структурный или статический беспорядок, является результатом внутренних структур различных материалов, используемых в органическом солнечном элементе, а также их расположения внутри устройства.

Прошлые исследования органических солнечных элементов, которые не учитывали беспорядок в расчетах потерь энергии, дали значения около 0,6 электрон-вольт, независимо от материалов устройства. Но когда Рэнд и его команда включили беспорядок в способ расчета потерь энергии и протестировали различные устройства, они обнаружили, что уровень беспорядка играет важную роль в определении общих потерь энергии органического солнечного элемента.

"По мере увеличения неисправности солнечного элемента мы видим, что наш компонент потерь энергии без излучения - компонент, который мы контролируем, — быстро растет", — сказал Рэнд. "Потери безызлучательной энергии растут с квадратом компонента беспорядка".

Продемонстрировав, что увеличение беспорядка приводит к резкому увеличению потерь энергии в устройствах, исследователи смогли дать рекомендации по материалам, которые минимизируют беспорядок и, следовательно, приводят к созданию более эффективных устройств. Поскольку ученые могут выбирать материалы, которые они используют, а также то, как расположить их в органическом солнечном элементе, они имеют некоторый контроль над уровнем структурного беспорядка в данном устройстве.

При разработке органического солнечного элемента исследователи могут сосредоточиться на создании однородной смеси материалов, в которой части пленки либо полностью кристаллические, либо полностью аморфные, или гетерогенной смеси, в которой некоторые части пленки кристаллические, а другие части аморфные.

Своей работой команда Рэнда продемонстрировала, что когда дело доходит до создания органических солнечных элементов, безраздельно господствуют однородные смеси. По словам Рэнд, для создания более эффективных органических солнечных элементов ученым следует использовать либо высококристаллические, либо высокоаморфные материалы и избегать их смешивания в устройстве.

"Если у вас есть что-то среднее, некоторая неоднородность, при которой части пленки слегка кристаллические, а некоторые аморфные, то именно тогда вы теряете больше всего энергии", - сказал Рэнд.

Это открытие противоречит общепринятому мнению, поскольку исследователи ранее полагали, что некоторый уровень гетерогенности в смесях солнечных элементов благоприятен для общей производительности. Но поскольку команда Рэнда обнаружила, что гетерогенные смеси устройств имеют высокий уровень беспорядка и теряют значительное количество энергии, он сказал, что их открытие может обеспечить новый фокус для исследователей, поскольку они ищут более эффективные органические солнечные элементы.

"Неоднородность часто была фокусом устройств. Считалось, что некоторый уровень кристалличности полезен. Но оказывается, что это не то, что мы видели", - сказал Рэнд. Он отметил, что многие из наиболее эффективных органических солнечных элементов сегодня состоят из высокоаморфных пленок, и предположил, что при существующих технологиях полностью аморфные смеси более практичны, чем полностью кристаллические.

Хотя исследования его команды в первую очередь были направлены на понимание науки, лежащей в основе органических солнечных элементов, Рэнд надеется, что другие смогут использовать их работу для создания более эффективных устройств и в конечном итоге достичь новых показателей производительности для этой многообещающей солнечной технологии.

"Это открытие является еще одним аспектом органических солнечных элементов, который мы можем добавить к тому, что мы уже знаем, что поможет нам повысить их эффективность в будущем", - сказал Рэнд.

Статья "Количественная оценка влияния энергетического беспорядка на потери энергии органическими солнечными элементами" была опубликована в журнале Joule 18 ноября.