Органическая фотовольтаика (OPVs) - это многообещающая, экономичная технология солнечных элементов нового поколения для масштабируемой чистой энергии и носимой электроники. Но потери при преобразовании энергии из-за рекомбинации фотогенерированных носителей заряда в OPV препятствуют дальнейшему повышению их эффективности преобразования энергии (PCE). Недавно исследователи из Городского университета Гонконга (CityU) преодолели это препятствие, изобретя новую стратегию разработки устройств для успешного подавления потерь при преобразовании энергии, что привело к рекордной эффективности.
Наиболее эффективные OPV, разработанные командой CityU, достигли PCE более 19%, и команда ожидает, что очень скоро он превысит 20%. Это открытие является многообещающим для коммерциализации OPV.
OPV, технология солнечных элементов, основанная на органических полупроводниках, рассматривается как многообещающий кандидат для получения чистой энергии из-за их низкой токсичности и широкой молекулярной перестройки в фотоактивных материалах. В настоящее время большинство высокоэффективных органических фотоэлектрических элементов используют структуру "объемного гетероперехода" (BHJ), состоящую из материалов-доноров и акцепторов электронов, перемешанных по всему активному слою устройства (см. рисунок 1).
При преобразовании солнечного света в электричество в OPV энергия солнечного света создает экситоны (отрицательно заряженный электрон и положительно заряженную дырку, связанные вместе), которые затем диссоциируют на свободные электроны и дырки на наноразмерной границе раздела донор-акцептор, генерируя носители заряда (фототок) и, следовательно, электричество.
Однако, если эти носители заряда не собираются электродами и снова сталкиваются друг с другом на границе раздела донор-акцептор, они могут рекомбинировать с образованием так называемого низкоэнергетического "спин-триплетного экситона" (T1), который последовательно расслабляется обратно в основное состояние, вызывая потерю энергии в виде тепла и, следовательно, потерю фототока. Этот необратимый процесс сильно ограничивает максимально достижимый PCE OPVS.
Исследовательская группа, возглавляемая профессором Алексом Джен Кван-Юэ, профессором кафедры материаловедения Ли Шау Ки и директором Гонконгского института чистой энергии в CityU, преодолела это препятствие, изобретя новую стратегию разработки устройств для подавления Т1 образование и минимизировать связанные с этим потери на рекомбинацию, что привело к рекордной эффективности OPVS.
"Мы - первая команда, которой удалось модулировать T1 формирование с помощью разработки устройств без изменения свойств фотоактивных материалов и раскрытия фундаментального механизма", - сказал профессор Джен. "Используя эту стратегию, мы расширили ее до 14 других материальных систем, чтобы показать универсальную применимость этого исследования". Их выводы были опубликованы в научном журнале Природная энергия, под названием "Подавленные потери на рекомбинацию в органических фотоэлектриках, использующих планарно-смешанную архитектуру гетероперехода".
Заменив традиционную архитектуру с сильно перемешанным объемным гетеропереходом (BHJ) внутри солнечного элемента на довольно несмешанную "планарно-смешанный гетеропереход" (PMHJ), чтобы уменьшить донорно-акцепторный интерфейс внутри активного слоя OPVS, команде удалось уменьшить потери на преобразование энергии в OPVs за счет подавления рекомбинация носителей заряда. Это открытие позволило максимизировать фототок OPV, в результате чего были созданы устройства с высоким PCE более 19%.
"По сравнению с традиционной архитектурой смешанного объемного гетероперехода (BHJ), наша стратегия смешанного планарно-смешанного гетероперехода (PMHJ) способна подавлять путь потерь, опосредованный состояниями переноса заряда на донорно-акцепторном интерфейсе", - объяснил профессор Джен. "Мы обнаружили, что наличие меньшего количества донорно-акцепторных контактов в планарно-смешанном гетеропереходе сводит к минимуму вероятность рекомбинации и приводит к снижению T1 сосредоточенность. Это в корне меняет прежнее представление исследователей об ОПВ - чем больше донорско-акцепторных контактов, тем выше эффективность ОПВ".
"Достигнутый в результате нашей стратегии оптимальный баланс между фотоэлектрическим напряжением и фототоком позволяет использовать OPV с конкурентоспособной эффективностью, сравнимой с эффективностью неорганической фотоэлектрики", - добавил доктор Фрэнсис Лин, постдок химического факультета, который также принимал участие в исследовании. Он объяснил, что органические фотоэлектрические элементы имеют ряд преимуществ перед неорганическими аналогами, например, они легкие и гибкие, как тонкая пластиковая пленка, и позволяют экономично изготавливать их с использованием рулонной печати.
Команда считает, что ее последнее открытие обеспечивает всеобъемлющую основу для того, чтобы будущая органическая фотовольтаика полностью реализовала свои обещания и стимулировала новую волну исследований универсальных фотофизических процессов в органических полупроводниках.
Они подают заявку на получение патента на это открытие. "Мы надеемся еще больше повысить производительность OPVS после нашего нового открытия модуляции фотофизических процессов. Это переопределяет максимальный потенциал OPV для облегчения их коммерциализации", - сказал профессор Джен.
Профессор Джен и доктор Лин из CityU, а также профессор Чжан Чуньфэн из Нанкинского университета являются соответствующими авторами статьи. Среди первых авторов - г-н Цзян Куй, аспирант химического факультета университета СитьЮ, который участвовал в исследовании, когда был научным сотрудником в группе профессора Джена.
Исследование было поддержано различными источниками финансирования, в том числе профессорским званием Ли Шау-Ки (материаловедение), CityU, Комиссией по инновациям и технологиям Гонконга, Советом по исследовательским грантам Гонконга, Гуандунским крупным проектом фундаментальных и прикладных исследований и Гуандунско-Гонконгским-Объединенная лаборатория оптоэлектронных и магнитных функциональных материалов Макао.
Комментарии