Эффективные органические солнечные элементы, полученные из зеленых растворителей

Небольшая гостевая молекула в нужном месте позволяет производить энергоэффективные органические солнечные элементы с использованием экологически чистых растворителей. Показана рекордная эффективность более 17%. Кроме того, можно производить солнечные элементы с большей площадью. «Это важный шаг на пути к крупномасштабному промышленному производству эффективных и стабильных органических солнечных элементов», – говорит Фэн Гао, профессор кафедры физики, химии и биологии (IFM) Университета Линчёпинга. Результат опубликован в Энергия природы.


Развитие органических солнечных элементов происходит быстро, и максимальная энергоэффективность, достигаемая с помощью солнечных элементов, производимых в лаборатории, в настоящее время превышает 18%. Энергоэффективность измеряет, насколько большая часть энергии солнечного света преобразуется в полезную энергию в солнечных элементах. Считается, что предел эффективности составляет около 24% для органических солнечных элементов.

Одна из проблем – производство органических солнечных элементов, достаточно стабильных, чтобы работать десять и более лет. Другая проблема заключается в том, что наибольшая энергия достигается в солнечных элементах, изготовленных в растворах, содержащих токсичные растворители, с относительно низкой температурой кипения. Низкая температура кипения вызывает проблемы при производстве, поскольку раствор испаряется слишком быстро. Использование более экологичных растворителей с более высокими температурами кипения немедленно приводит к снижению энергоэффективности. Это дилемма, над решением которой работают исследователи во всем мире.

Эти проблемы теперь решены в совместном проекте под руководством исследователей из Университета Линчёпинга в Швеции и Университета Сучжоу в Китае.

Им удалось изготовить солнечный элемент, используя раствор с высокой температурой кипения и без каких-либо токсичных ингредиентов, энергоэффективность которого выше 17%. Кроме того, обработанный зеленым растворителем солнечный модуль площадью 36 см.2 показывает эффективность преобразования энергии более 14%. На сегодняшний день это самая высокая эффективность для модулей органических солнечных элементов с активной площадью более 20 см.2. Оба этих прорыва важны для технологии органических солнечных элементов, поскольку они делают коммерческий прорыв в больших масштабах.

«Теперь наши результаты позволяют производить в больших масштабах органические солнечные элементы для использования вне помещений», – говорит постдок Руй Чжан, который работает с профессором Фэн Гао в отделе электронных и фотонных материалов Университета Линчёпинга.

Функция органических солнечных элементов постепенно улучшалась. Когда солнечный свет в форме фотонов поглощается органическим полупроводниковым донором, образуется «возбужденное состояние». Электроны прыгают на более высокий энергетический уровень и создают дыры на более низком энергетическом уровне, к которым они, однако, все еще притягиваются. Электроны полностью не освобождаются, и фототок не возникает. Исследователи провели эксперименты, в которых добавили различные акцепторные материалы, которые принимают электроны и, таким образом, позволяют им освободиться, вызывая фототок.

Пару лет назад китайские исследователи разработали новый акцепторный материал под названием Y6, который может обеспечить высокую эффективность органических солнечных элементов.

В результате работы, описанной в этой совместной публикации, была обнаружена молекула-гостя, известная как BTO, которая гарантирует, что молекулы Y6 в солнечном элементе упакованы в зеленых растворителях настолько плотно и стабильно, что может генерироваться фототок. эффективно. Добавление BTO также позволяет производить солнечные элементы большей площади с высокой эффективностью.