Китайские ученые создали «сверхстабильный» полимерный солнечный элемент с КПД 19,1 %

Аккумулятор Challenger A12-65

Полимерный солнечный элемент способен сохранять 97 % своей эффективности после 2000 часов пребывания на воздухе. Добавляя низкомолекулярные акцепторы в полимерные матрицы, исследовательская группа улучшила молекулярную упаковку, повысив стабильность и эффективность переноса заряда в «сверхстабильных» гибких устройствах.

Группа исследователей из Уханьского технологического университета в Китае создала полимерный солнечный элемент, эффективность которого достигает 19,1 % при сохранении высокого уровня стабильности.

Полимерные солнечные элементы — это разновидность органических солнечных элементов, в которых активным светопоглощающим материалом является сопряженный полимер.

“Полимерные солнечные элементы с полимерными донорами и акцепторами электронов демонстрируют превосходные механические свойства и термическую стабильность по сравнению с их низкомолекулярными аналогами, — рассказал pv magazine автор исследования Вэй Ли. — Однако длинные сопряжённые цепи полимерных полупроводников склонны к самозапутыванию, в результате чего образуются крупные неупорядоченные агрегаты, что приводит к снижению коэффициента полезного действия и более быстрому разрушению в процессе эксплуатации. Мы обнаружили, что включение линейно расположенных малых молекул-акцепторов может помочь распутать полимерные цепи, превратив беспорядочное молекулярное расположение в упорядоченное.

«Эта простая стратегия одновременно создает эффективные пути для переноса заряда и уменьшает свободный объем в фотоактивном слое, — добавил соавтор исследования Тао Ван. —Полученные устройства сохраняют 97 % первоначальной эффективности после 2000 часов работы на воздухе, а прогнозируемый срок службы превышает 100 000 часов. Эта работа показывает, как молекулярная и морфологическая структура органических полупроводников влияет на срок службы устройств, и открывает практический путь к коммерциализации гибких органических фотоэлектрических элементов».

В исследовании «Сверхстабильные полимерные солнечные элементы с T97 сроком службы более 2000 часов на воздухе», опубликованном в Matter, ученые объяснили, что использовали полимерные акцепторы (полимерные акцепторы металлов) вместо других типов полимеров, поскольку они обеспечивают оптимальный баланс между структурной стабильностью и фотоэлектрическими характеристиками.

В отличие от низкомолекулярных акцепторов (НМА), полимерные макромолекулярные акцепторы (ПМА) состоят из длинных сопряженных основных цепей. Такая макромолекулярная структура уменьшает свободный объем в активном слое и ограничивает крупномасштабное молекулярное движение. В результате устройства на основе ПМА обладают превосходной термической и морфологической стабильностью, что значительно увеличивает срок их службы.

Механические свойства — еще одно ключевое преимущество полимолочной кислоты. По сравнению с низкомолекулярными системами, полимерные акцепторы образуют более прочные и гибкие пленки. Сплетение цепей повышает механическую прочность и способность к образованию пленки, что особенно ценно для гибких солнечных элементов большой площади. В то же время низкомолекулярные соединения со временем склонны к чрезмерной кристаллизации или фазовому разделению, что приводит к морфологической нестабильности и ухудшению характеристик устройства.

Однако у полимолочной кислоты есть и недостатки. Ее длинные цепочки в твердом состоянии могут самопроизвольно сворачиваться в неупорядоченные агрегаты, снижая структурный порядок в активном слое. Это приводит к усилению рекомбинации носителей заряда, что, как правило, снижает эффективность преобразования энергии по сравнению с современными устройствами на основе сополимера молочной и гликолевой кислот. Таким образом, приходится искать компромисс между эффективностью и стабильностью.

Исследовательская группа решила эту проблему, добавив в матрицу полиметакриловой кислоты небольшое количество тщательно отобранных низкомолекулярных акцепторов. По имеющимся данным, такой подход улучшает молекулярную упаковку и структурный порядок, снижая потери при рекомбинации и сохраняя внутреннюю термическую стабильность полимерной системы.

Солнечный элемент был изготовлен на подложке из оксида индия-олова (ITO) с дырочно-транспортным слоем из триоксида молибдена (MOO₃) (HTL), донором полимера с большой запрещенной зоной PM6, активным слоем на основе поли (метилакрилата) (PMA), слоем переноса электронов из бакминстерфуллерена (C60) (ETL), буферным слоем из батокупроина (BCP) и металлическим контактом из серебра (Ag).

При стандартном освещении устройство показало эффективность преобразования энергии 19,1 %, напряжение холостого хода 0,941 В, плотность тока короткого замыкания 26,3 мА/см² и коэффициент заполнения 77,3 %. Измерения с помощью спектроскопии поглощения показали, что срок службы элемента на воздухе превышает 2000 часов.

«В заключение отметим, что сверхстабильные полимерные солнечные элементы были получены благодаря специальной конструкции фотоактивных слоев и слоев, переносящих заряд», — заявили исследователи.