Солнечные батареи, несомненно, будут играть важную роль в устойчивой энергетике будущего. Полимерные солнечные элементы (PSC) представляют собой отличный вариант, поскольку они дешевы в производстве и могут быть как гибкими, так и полупрозрачными. Солнечные элементы из тройного полимера демонстрируют обнадеживающую эффективность преобразования энергии, но не всегда понятно, почему. Теперь исследователи из Университета Цукубы и Университета Хиросимы более внимательно изучили действующие ЧКП. Их выводы опубликованы в журнале npj Flexible Electronics..
PSC обычно содержат материал, представляющий собой полупроводник p-типа, смешанный с полупроводником n-типа. Эта смесь дает правильную комбинацию носителей заряда - дырок и электронов - для протекания тока, когда на ячейку падает солнечный свет.
Смеси с этими двумя компонентами известны как бинарные PSC. Однако недавно было обнаружено, что добавление в смесь дополнительного ингредиента, дающего так называемый тройной PSC, может улучшить эффективность преобразования энергии (PCE) и стабильность солнечного элемента. Беда в том, что до сих пор никто толком не исследовал почему.
Исследователи провели спектроскопию электронного спинового резонанса (ЭПР) во время работы PSC. Это дало им возможность наблюдать за поведением электронов и дырок при облучении клетки солнечным светом и получать ответы на молекулярном уровне.
«Сообщалось, что накопление заряда с течением времени способствует ухудшению работы клеток», - объясняют автор исследования профессор Итару Осака и автор исследования профессор Казухиро Марумото. «Поэтому мы использовали ESR для изучения системы, состоящей из полимера PTzBT и большой молекулы PC61BM. Было обнаружено, что добавление в эту систему акцепторной молекулы, известной как ITIC, улучшает PCE и стабильность клетки, поэтому мы внимательно изучили клетки с ITIC и без него, чтобы выяснить, почему».
Эксперимент по спектроскопии ЭПР показал, что ток короткого замыкания уменьшился в результате накопления электронов в ПК61БМ и дырках в ПЦБТ. Было обнаружено, что добавление ITIC уменьшает это накопление за счет улучшения ориентации цепочечных молекул полимера PTzBT в активном слое.
«Возможность понять, почему что-то работает, важно для обеспечения того, чтобы эффекты были оптимизированы в полном объеме», - говорит соответствующий автор исследования профессор Кадзухиро Марумото. «Получив на молекулярном уровне картину влияния ITIC на очень многообещающую систему PSC, мы считаем, что сделали шаг ближе к коммерческой реальности полимерных солнечных элементов как части более экологичного будущего».