Органические солнечные элементы имеют фотоактивный слой, который состоит из полимеров и малых молекул. Ячейки очень тонкие, могут быть гибкими и просты в изготовлении. Однако эффективность этих элементов все еще намного ниже, чем у обычных элементов на основе кремния. Физики-прикладники из Университета Гронингена в настоящее время изготовили органический солнечный элемент с КПД более 17 процентов, что является наивысшим показателем для данного типа материалов. Его преимущество заключается в использовании необычной структуры устройства, которая создается с использованием масштабируемой технологии. Конструкция включает в себя проводящий слой оксида олова, который выращивается методом атомно-слоевого осаждения. У ученых также есть несколько идей по дальнейшему повышению эффективности и стабильности клетки. Результаты были описаны в журнале Передовые материалы 31 марта.
В органических солнечных элементах полимеры и небольшие молекулы преобразуют свет в заряды, которые накапливаются на электродах. Эти ячейки изготовлены в виде тонких пленок из разных слоев - каждый со своими собственными свойствами, - которые укладываются на подложку. Наиболее важным является фотоактивный слой, который преобразует свет в заряды и отделяет электроны от дырок, а также транспортный и блокирующий слой, который избирательно направляет электроны к электроду.
Стабильность
"В большинстве органических солнечных элементов слой для переноса электронов изготовлен из оксида цинка, высокопрозрачного и проводящего материала, который находится под активным слоем", - говорит Дэвид Гарсия Ромеро, аспирант группы фотофизики и оптоэлектроники Института перспективных материалов Цернике при Университете Гронингена, возглавляемой Профессор Мария Антониетта Лой. Гарсия Ромеро и Лоренцо Ди Марио, аспирант из той же группы, работали над идеей использования оксида олова в качестве транспортного слоя. "Оксид цинка более фотореактивен, чем оксид олова, и, следовательно, последний должен обеспечить более высокую стабильность устройства", - объясняет он.
Хотя оксид олова показал многообещающие результаты в предыдущих исследованиях, наилучший способ вырастить из него подходящий транспортный слой для органического солнечного элемента еще не был найден. "Мы использовали атомно-слоевое осаждение - метод, который долгое время не применялся в области органической фотоэлектрики", - говорит Гарсия Ромеро. Однако у него есть несколько важных преимуществ: "Этот метод позволяет получать слои исключительного качества и его можно масштабировать для промышленных процессов, например, при обработке от рулона к рулону.
Масштабируемый
Органические солнечные элементы, изготовленные из оксида олова, нанесенного сверху методом атомарного послойного осаждения, демонстрируют очень хорошую производительность. "Мы достигли рекордной эффективности в 17,26 процента", - говорит Гарсия Ромеро. Коэффициент заполнения, важный параметр качества солнечных элементов, показал значения до 79 процентов, что соответствует рекордным значениям для данного типа конструкций. Кроме того, оптические и структурные характеристики слоя оксида олова можно регулировать, изменяя температуру, при которой осаждается материал. Максимальное преобразование энергии было достигнуто в ячейках с транспортным слоем, нанесенным при температуре 140 градусов Цельсия. Этот же результат был продемонстрирован для двух разных активных слоев, что означает, что оксид олова в целом повысил эффективность.
"Нашей целью было сделать органические солнечные элементы более эффективными и использовать масштабируемые методы", - говорит Гарсия Ромеро. Эффективность близка к текущему рекорду для органических солнечных элементов, который составляет около 19 процентов. - И мы еще не оптимизировали другие слои. Итак, нам нужно немного расширить нашу структуру". Гарсия Ромеро и его соавтор Лоренцо ди Марио также стремятся попробовать создавать ячейки большей площади. Обычно они менее эффективны, но необходимы для перехода к реальным приложениям и панелям.
Улучшение
Новый солнечный элемент с впечатляюще высоким коэффициентом заполнения является хорошей отправной точкой для дальнейшего развития. Гарсия Ромеро: "Возможно, промышленным партнерам еще рановато браться за это дело; сначала нам нужно провести еще кое-какие исследования. И мы надеемся, что наше использование атомно-слоистого осаждения вдохновит других специалистов в этой области". "Мы всегда стремимся понять, что происходит в материале и в структуре устройства", - добавляет профессор Лой. "Здесь, мы думаем, что, возможно, есть возможности для улучшения. В этом процессе наш транспортный слой из оксида олова является отличным начальным шагом. "Солнечные элементы этого класса могут внести важный дополнительный вклад в передачу энергии благодаря своим механическим свойствам и прозрачности. "Мы ожидаем, что они будут использоваться совершенно по-другому, чем кремниевые панели", - говорит Лой. "В данный момент нам нужно мыслить шире и нестандартно".
Комментарии