Международная команда ученых, в которую входит Тамара Басова из Новосибирска, предложила новые композиты для улучшения работы органических солнечных батарей. Результаты исследования опубликованы в журнале Dalton Transactions.
За один год Земля поглощает почти 400*1021^ Джоулей солнечного излучения. Энергии, которая падает на нашу планету всего за один час, хватило бы, чтобы полностью покрыть все энергозатраты человечества за год. Самый удобный способ использования солнечного света — напрямую преобразовывать его в электричество, для чего ученые разрабатывают различные типы фотоэлементов.
Новая работа авторов из России, Турции, Ирака и Великобритании посвящена органическим солнечные элементам (ОСЭ) на основе фуллеренов и полимеров. Они уступают лидерам «солнечного рынка» — кремнию и перовскитам — в эффективности, зато гораздо более дешевы и просты в изготовлении и их можно производить тонкими и гибкими. Все это делает ОСЭ перспективными для потребительской электроники, например легких носимых гаджетов. Тем не менее эффективность и стабильность ОСЭ можно улучшать.
Для этого ученые предложили добавлять в ОСЭ красители, связанные с углеродными композитами. Они использовали две пары красителей — красный кумарин и синий BODIPY, которые химически прикреплялись к производным оксида графена либо углеродных нанотрубок. Всего получилось четыре пары связанных между собой материалов: кумарин-оксид графена, кумарин-нанотрубки, BODIPY-оксид графена и BODIPY-нанотрубки. Их добавляли к активному слою фуллерено-полимерных солнечных элементов PCBM: Р3НТ (PCBM это производное фуллерена, а Р3НТ — полимер).
Все элементы с добавками работали лучше исходных, а чемпионом оказалась пара кумарин-нанотрубки — ее добавление повысило КПД фотоэлементов в 1,4 раза (с 2,6 до 3,6 процента). Скорее всего, в основе этого лежит несколько причин. Во-первых, молекулы кумарина улучшают контакт между компонентам активного слоя, то есть делают заряды более подвижными. Во-вторых, добавление красителя увеличивает число поглощенных фотонов.
Пару кумарин-нанотрубки ученые опробовали также в гибких ОСЭ. Активный слой состоял по-прежнему из смеси PCBM: Р3НТ, но в этот раз их наносили на гибкий полимер, покрытый проводящим оксидом индия и олова. В этом эксперименте ученым удалось добиться улучшения КПД с 1,16 до 1,62 процента.
Конечно, делать далеко идущие выводы пока рано — например, потому, что в работе рассмотрены ОСЭ не оптимального качества. В то же время лучшие солнечные элементы на основе пары PCBM: Р3НТ сейчас имеют эффективность пять процентов и выше. Насколько ярко проявится эффект кумаринового композита на более совершенных элементах, будет ясно из дальнейших исследований.