Органические солнечные элементы (OSCS), которые используют органические полимеры для преобразования солнечного света в электричество, в последнее время привлекли значительное внимание благодаря своим желательным свойствам в качестве источников энергии следующего поколения. К ним относятся легкий вес, гибкость, масштабируемость и высокая эффективность преобразования мощности (>19%). В настоящее время существует несколько стратегий повышения производительности и стабильности OSCS. Однако проблема, которая сохраняется, заключается в трудности управления морфологией активного слоя в OSCS при масштабировании до больших площадей. Это затрудняет получение высококачественных тонких пленок активного слоя и, в свою очередь, точную настройку эффективности устройства.

В недавнем исследовании группа исследователей из Института науки и техники Кванджу, Корея, решила заняться этой проблемой. В своей работе, опубликованной в Усовершенствованные функциональные материалы, они предложили решение, которое на первый взгляд кажется довольно нелогичным: использование обработки воды для контроля морфологии активного слоя. "Известно, что вода снижает производительность органических электронных устройств, поскольку она остается в "состояниях ловушки" органического материала, блокируя поток заряда и ухудшая производительность устройства. Однако мы полагали, что использование воды, а не активного раствора на основе органических растворителей в качестве среды для метода обработки, позволит осуществить необходимые физические изменения, не вызывая химических реакций", - объясняет профессор Донг-Ю Ким, возглавлявший исследование.

Исследователи выбрали полимеры PTB7-Th и PM6 в качестве донорских материалов и ПК₆₁BM и EH-IDTBR и Y6 в качестве акцепторных материалов для активного слоя. Они заметили, что создание вихря для смешивания донорных и акцепторных материалов в активном растворе может привести к получению хорошо перемешанного активного раствора, но само по себе этого недостаточно. Активный раствор был гидрофобным, и, соответственно, исследователи решили использовать деионизированную (DI) воду и вихри для перемешивания раствора. Они оставили донорный и акцепторный материалы на ночь в хлорбензоле (активном растворе хозяина), а затем добавили в раствор диоксид кремния и перемешали его, создавая крошечные вихри. Из-за гидрофобной природы раствора вода давила на донорные и акцепторные молекулы, заставляя их более мелко растворяться в растворе. Затем они дали раствору отстояться, что привело к отделению воды от раствора. Затем эту воду удаляли, и обработанный водой активный раствор использовали для получения тонких пленок PTB7-Th: PC₆₁BM (F, фуллерен), PTB7-Th: EH-IDTBR (NF, фуллерен) и PM6: Y6 (H-NF, высокоэффективный нефуллерен).

Затем исследователи изучили фотоэлектрические характеристики этих тонких пленок в перевернутой конфигурации OSC с покрытием из щелевой матрицы и сравнили их с характеристиками OSC без обработки водой.

"Мы заметили, что обработанный водой активный раствор привел к образованию более однородных тонких пленок активного слоя, которые показали более высокую эффективность преобразования энергии по сравнению с теми, которые не обрабатывались водой. Кроме того, мы изготовили модули OSC большой площади с активной площадью 10 см², который показал эффективность преобразования до 11,92% для обработанных водой пленок H-NF", - подчеркивает профессор Ким.

В целом, это исследование дает рекомендации по разработке крупномасштабных, эффективных OSCS с использованием удивительно простого, экономичного и экологически чистого метода, который может открыть двери для их реализации и коммерциализации.