В этом новом исследовании, опубликованном в Джоуль международная группа исследователей, возглавляемая Кавендишской лабораторией Кембриджского университета, впервые рассмотрела пути деградации как донорных, так и акцепторных электронов материалов. Детальное изучение материала-донора электронов отличает текущую исследовательскую работу от предыдущих исследований и дает важные новые идеи в этой области. В частности, идентификация сверхбыстрого процесса дезактивации, уникального для материала-донора электронов, ранее не наблюдалась и позволяет по-новому взглянуть на деградацию материала в органических солнечных элементах.

Чтобы понять, как эти материалы разлагаются, исследователи из Кавендиша работали в составе международной команды с учеными из Великобритании, Бельгии и Италии. Вместе они объединили исследования стабильности фотоэлектрических устройств, при которых работающий солнечный элемент подвергается воздействию интенсивного света, близкого к солнечному, со сверхбыстрой лазерной спектроскопией, проведенной в Кембридже. С помощью этого лазерного метода они смогли идентифицировать новый механизм деградации в материале-доноре электронов, включающий скручивание полимерной цепи. В результате, когда скрученный полимер поглощает фотон, он подвергается чрезвычайно быстрому пути дезактивации в фемтосекундном масштабе времени (миллионная миллиардная доля секунды). Этот нежелательный процесс происходит достаточно быстро, чтобы вытеснить генерацию свободных электронов и дырок из фотона, что ученые смогли соотнести со снижением эффективности органического солнечного элемента после того, как он подвергся воздействию имитируемого солнечного света.

"Было интересно обнаружить, что такая, казалось бы, незначительная вещь, как скручивание полимерной цепи, может оказать такое большое влияние на эффективность солнечного элемента", - сказал доктор Алекс Джиллетт, ведущий автор статьи. "В будущем мы планируем развивать наши результаты, сотрудничая с химическими группами для разработки новых материалов-доноров электронов с более жесткими полимерными каркасами. Мы надеемся, что это уменьшит склонность полимера к скручиванию и, таким образом, улучшит стабильность устройства на органическом солнечном элементе".

Благодаря своим уникальным свойствам органические солнечные элементы могут использоваться в широком спектре применений, для которых традиционные кремниевые фотоэлектрические элементы не подходят. Это может включать в себя окна для выработки электроэнергии в теплицах, которые пропускают цвета света, необходимые для фотосинтеза, или даже фотоэлектрические элементы, которые можно сворачивать для удобства транспортировки и мобильной выработки электроэнергии. Таким образом, определяя механизм деградации, который необходимо устранить, текущие исследования непосредственно приближают следующее поколение фотоэлектрических материалов и приложений к реальности.