Изучение разделения зарядов открывает путь к эффективным солнечным батареям

Наивысшая продуктивность преобразования световой энергии, зарегистрированная в лабораторных условиях для органических солнечных элементов, составляет около 10% — существенно ниже, чем у неорганических. Одним из путей увеличения кпд является более эффективное разделение прочно связанных пар электрон-дырка, возникающих при поглощении светового излучения и носящих общее название экситоны.

Разделяют такие заряды с получением электрического тока, посредством гетероперехода между двумя различных органических полупроводников, один из которых склонен отдавать электроны экситонных пар, а другой действует как акцептор. Таким образом, электроны и дырки разделяются, присоединяясь к соседним молекулам. Проблема в том, что на этом этапе носители противоположных зарядов находятся вблизи друг друга и продолжают испытывать сильное притяжение, препятствующее их полному разделению.

В последние несколько лет приобрела популярность трактовка электрона или дырки как волнового состояния, распределенного сразу на несколько близлежащих молекул. Когда волновая функция одного из носителей «схлопывается» в точке, достаточно удаленной от своего партнера, разделение зарядов упрощается.

Совместная работа представителей IMEC (Бельгия), Аргоннской национальной лаборатории (США), Северозападного и Принстонского университетов, предоставила дополнительные доводы в поддержку такой интерпретации. Она также выявила, что нанокристаллический порядок материала акцептора, состоящего из молекул C60, делает возможным эффект такой делокализации, и потому имеет критическое значение для эффективности генерирования фототока в органических солнечных элементах.

Результаты, изложенные 3 февраля в Nature Communications, помогут ученым конструировать новые молекулы, оптимизировать морфологию доноров и ацепторов для повышения напряжения солнечных батарей без снижения тока, и улучшат общее понимание физики процесса разделения зарядов.