Создание нового поколения органических солнечных элементов

Исследователи открыли новый, более быстрый способ, которым органические материалы перераспределяют энергию солнечного света, что может позволить следующему поколению органических солнечных элементов преобразовывать солнечный свет в электрическую энергию и помогать в борьбе с изменением климата.

Большинство современных солнечных элементов сделаны из кремния, они тяжелые, жесткие и дорогие в производстве. Напротив, органические солнечные элементы, которые сделаны из материалов и элементов, содержащихся в растениях и животных, обещают быть легкими, гибкими и дешевыми в производстве. Тем не менее, органические солнечные элементы еще не достигли той эффективности преобразования солнечного света в электричество, как их аналоги на основе кремния, что препятствует их коммерциализации.

Теперь исследователи из Кембриджского университета в глобальном сотрудничестве с экспертами из Канады, Бельгии, Новой Зеландии и Китая открыли новый фундаментальный способ передачи энергии в органических материалах со скоростью до 1000 раз быстрее, чем обычно, приближаясь к полной реализации перспектив органической фотоэлектрической энергии. Их результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Этот новый механизм движения, получивший название «переходная делокализация экситонов», позволяет энергии перемещаться и передаваться окружающим электрическим проводам намного быстрее, чем обычно.

«Это улучшение стало возможным благодаря квантово-механической природе реальности, где энергия может существовать во многих местах одновременно, - сказал первый автор Александр Снейд (Alexander Sneyd), аспирант Кембриджской лаборатории Кавендиша. - Используя преимущества этих квантово-механических элементов, которые обеспечивают высокоэффективное движение энергии, мы можем создавать более совершенные и эффективные солнечные элементы».

Исследовательская группа начала с использования высокоразвитой нанотехнологической техники, называемой «самосборка на основе живой кристаллизации», для создания нановолокон из полимера на основе серы и углерода. Это позволило им точно контролировать положение каждого из атомов в органическом нановолокне для создания «идеального» модельного материала. «В этом и был секрет успеха, - сказал доктор Акшай Рао (Akshay Rao) из Кавендишской лаборатории, руководивший исследованием. - Мы смогли достичь беспрецедентного уровня структурного контроля, о котором можно было только мечтать до недавнего времени».

Затем команда направила лазер на нановолокна, чтобы имитировать солнечный свет, и наблюдала, как энергия движется с течением времени, используя метод, называемый микроскопией переходного поглощения, для создания «фильма» переноса энергии. Это позволило им наблюдать движение энергии в чрезвычайно короткие промежутки времени с разрешением почти в одну фемтосекунду или, что эквивалентно фильму с частотой кадров в 1 миллион миллиардов кадров в секунду. «Когда мы проводили эксперименты, мы были очень удивлены, - объяснил Снейд. - Энергия перемещалась со скоростью в 100 или даже в 1000 раз быстрее, чем это обычно зафиксировано в научной литературе».

Наконец, они использовали суперкомпьютер для моделирования на квантовом уровне того, что физически происходило в нановолокнах. Сравнивая результаты моделирования с экспериментом, они пришли к выводу, что именно способность энергии «делокализоваться» или находиться во многих местах одновременно, в первую очередь ответственна за неожиданное поведение.

«Этот новый механизм предоставляет множество возможностей для значительного улучшения характеристик традиционных органических солнечных элементов, - сказал профессор сэр Ричард Френд (Richard Friend) из Кавендишской лаборатории, который был одним из руководителей исследования. - Но что еще более интересно, это открывает перспективы для совершенно новых типов устройств, основанных на недорогих и легко адаптируемых органических материалах».

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365