В последние годы исследователи пытаются разработать все более эффективные и передовые солнечные технологии. Одним из способов повышения эффективности солнечных элементов является снижение потерь энергии (т. е. потерь напряжения), вызванных процессами безызлучательной рекомбинации.

Исследователи из Университета Аризоны и Университета Линчепинга в Швеции недавно провели исследование, направленное на лучшее понимание потерь напряжения без излучения в органических солнечных элементах. Их статья, опубликованная в журнале Nature Energy, описывает, как происходят потери энергии как в солнечных элементах на основе фуллерена, так и в солнечных элементах на основе нефуллерена.

"Обратите внимание, что поглощение фотонов приводит к образованию возбужденного электронного состояния в электроноакцепторном и/или электронодонорном компоненте активного слоя",-сказал Жан-Люк Бредас, один из исследователей, проводивших исследование, в интервью TechXplore. "Это возбужденное состояние переходит в так называемое электронное состояние с переносом заряда (CT) на границе раздела между акцепторным и донорным компонентами. Это состояние CT может затем диссоциировать на свободные носители заряда или распадаться до основного состояния."

После того, как состояния CT диссоциируют на свободные носители заряда, эти носители в идеале должны переместиться на электроды, где они в конечном итоге извлекаются. Однако по пути некоторые из этих носителей заряда также могут рекомбинировать с помощью процесса, известного как биомолекулярная рекомбинация.

Процессы биомолекулярной рекомбинации также происходят через состояния КТ. Поэтому, чтобы оптимизировать эффективность органических солнечных элементов, следует свести к минимуму нерадиационный распад состояний CT. В своей статье команды Аризоны и Линчепинга и их коллеги дают единое описание потерь напряжения без излучения в органических солнечных элементах.

"Мы смогли одинаково хорошо описать ситуацию как в солнечных элементах на основе фуллерена, так и в солнечных элементах на основе фуллерена",-объяснил Бредас. "Это единое описание было достигнуто путем объединения теоретических усилий в Аризоне и экспериментальных усилий, в основном проведенных в Линчепинге. С теоретической стороны мы смогли рассмотреть все соответствующие электронные состояния, то есть: основное состояние, состояние CT и сильно поглощающее состояние в акцепторе и/или доноре."

Ранее предложенные модели безрадиационного распада не учитывают сильно поглощающее состояние в акцепторах и/или донорах. Поэтому они не смогли дать полную картину потерь напряжения без излучения, которые потребуются для полного понимания его влияния, особенно на высокоэффективные солнечные элементы на основе нефуллеренов. В отличие от этого, теоретическая модель Бредаса и его коллег описывает потери энергии без излучения как в солнечных элементах на основе фуллерена, так и в солнечных элементах на основе нефуллерена.

С экспериментальной точки зрения команда из Университета Линчепинга смогла охарактеризовать состояния КТ и параметры солнечных элементов для более чем 30 систем. Эти системы включают активные слои как на основе фуллерена, так и на основе нефуллерена.

"Сочетание этих усилий обеспечивает беспрецедентное, глубокое понимание причин, по которым высокоэффективные органические солнечные элементы на основе нефуллеренов имеют небольшие потери энергии/напряжения",-сказал Бредас.

В ходе своих исследований Бредас и его коллеги сделали несколько интересных наблюдений. Во-первых, они обнаружили, что люминесценция нетронутых акцепторных и донорных компонентов определяет степень потерь напряжения. Во-вторых, их эксперименты показали, что потери напряжения могут быть уменьшены без ущерба или влияния на эффективность генерации заряда.

"Мощность, которую может генерировать солнечный элемент, - это напряжение в текущее время", - сказал Бредас. "Уменьшение потерь напряжения, очевидно, увеличивает максимальное напряжение, которое может быть сгенерировано. В сообществе высказывались опасения, что способ снижения потери напряжения также приведет к снижению выработки заряда и, следовательно, максимального тока, который может быть сгенерирован. Мы показываем, что на самом деле это совсем не обязательно так."

В будущем эта статья могла бы послужить основой для разработки более эффективных солнечных элементов и солнечных технологий. Более конкретно, в исследовании подчеркиваются преимущества использования донорных и акцепторных материалов с высокой эффективностью люминесценции, а также дополнительных полос оптического поглощения, которые распространяются в ближней инфракрасной области. Эти материалы, на самом деле, могли бы помочь максимизировать сбор фотонов, когда солнечные элементы подвергаются воздействию солнечного света.

"В наших следующих исследованиях мы планируем продолжить изучение последствий наших выводов", - сказал Бредас. "Более конкретно, мы хотели бы получить лучшее понимание того, как экспериментальная обработка активного слоя влияет на морфологию слоя, его электронные свойства и, в конечном счете, на общую производительность и стабильность устройства. Группы Линчепинга и Аризоны также очень заинтересованы в продолжении своего сотрудничества, поскольку это прекрасный пример того, как то, что мы делаем вместе, может быть гораздо большим, чем простая сумма частей."

ИСТОЧНИК