Российские химики повысили эффективность солнечных батарей при помощи фтора

Новое хорошо поглощающее свет вещество можно наносить гораздо более тонким слоем, а сами батареи теперь необязательно делать плоскими.

Фото blickpixel/pixabay.com.

На молекулярном уровне использованный полимер представляет собой цепочку из звеньев довольно сложной конфигурации.

Иллюстрация авторов исследования.

Специалисты Московского физико-технического института совместно с зарубежными коллегами показали, что упорядоченные структуры на основе органических молекул могут стать основой для солнечных батарей нового поколения. Используя такие структуры, учёные нашли способ повысить эффективность органических фотопреобразователей в несколько раз.

Солнечные батареи или, корректнее, фотоэлектрические преобразователи – на сегодня одно из самых перспективных направлений в энергетике. Так, суммарная мощность батарей, смонтированных по всему миру только за 2017 год, составила 400 гигаватт: больше, чем мощность всех российских электростанций. Солнечная отрасль переживает беспрецедентно бурный рост, и ключевую роль в этом играет удешевление батарей вместе с ростом их эффективности.

Современные фотоэлектрические преобразователи в массе своей используют поликристаллический кремний, но учёные работают и над альтернативными вариантами. Одна из возможных замен кремнию – органические соединения, особые полимеры с фотоэлектрическими свойствами.

В научной статье, опубликованной в издании Journal of Materials Chemistry A, команда описала один из способов повысить эффективность органических фотопреобразователей при помощи добавления к полимеру атомов фтора. Ранее полученные данные указывали, что фторированные молекулы образуют упорядоченную структуру и это существенно улучшает фотоэлектрические свойства материала, но полного понимания сути этого процесса у химиков не было.

Экспериментируя с модификациями исходных молекул, международный коллектив учёных смог добиться роста эффективности образцов с 3,7 до 10,2%. Это всё ещё меньше показателей хороших коммерческих солнечных батарей, однако столь значительное увеличение КПД заставляет всерьёз отнестись к новому материалу: такими темпами он может и перегнать сегодняшних фаворитов.

На молекулярном уровне использованный полимер представляет собой цепочку из звеньев довольно сложной конфигурации. Каждое звено включало несколько гетероциклов с серой (замкнутые пятиугольники из четырёх атомов углерода и одного атома серы), а также боковые углеводородные цепочки, имеющие разветвлённую структуру (как показано на иллюстрации ниже).

На молекулярном уровне использованный полимер представляет собой цепочку из звеньев довольно сложной конфигурации.
Иллюстрация авторов исследования.

Варьируя длину боковых цепей и наличие атомов фтора, исследователи обнаружили, что удачная комбинация отличается в несколько раз большей эффективностью и большим выдаваемым током. На микроскопическом уровне молекулы "удачного" вещества формировали более упорядоченные стопки (это было показано при помощи рентгеноструктурного анализа) и отличались большей подвижностью носителей заряда. Последняя связана с электрической проводимостью, которая, очевидно, должна быть у солнечной батареи достаточно высокой.

“Для оптимизации эффективности органической солнечной батареи необходимо было не только правильно подобрать молекулярные энергетические уровни донора и акцептора, но и создать соответствующую надмолекулярную структуру, облегчающую перенос зарядов на электроды”, – уточняет профессор Дмитрий Иванов, заведующий лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ, директор исследований Национального Научного Центра Франции.

Исследователь указал, что органические солнечные батареи могут оказаться более технологичными: процесс производства имеет меньше стадий по сравнению с традиционными кремниевыми фотопреобразователями, хорошо поглощающее свет вещество можно наносить гораздо более тонким слоем, а сами батареи теперь необязательно делать плоскими.

“Органические батареи можно наносить, к примеру, на черепичную крышу”, – пояснил Дмитрий Иванов.

Напомним, что о других альтернативных источниках энергии и технологиях по их улучшению можно прочитать в нашей специальной рубрике