Повторное использование спин-триплетных экситонов позволяет достичь эффективности органических солнечных элементов в 20,5%

Эффективность органических солнечных элементов превысила 20%, а устройства лабораторного масштаба — 21% благодаря инновациям в области нефуллереновых акцепторов и оптимизации устройств.

Органический солнечный элемент

Исследователи из Городского университета Гонконга (CityUHK) совершили прорыв в области органических фотоэлектрических элементов, достигнув эффективности преобразования энергии в органическом солнечном элементе на уровне 20,5%. Это стало возможным благодаря новой стратегии, которая позволяет преобразовывать триплетные экситоны, обычно не выделяющие энергию, в извлекаемые свободные носители заряда, что значительно снижает потери энергии, которые традиционно ограничивали эффективность органических фотоэлектрических элементов.

В таких ячейках триплетные экситоны часто считаются каналами потерь, поскольку их длительное время жизни и запрещенные спиновые переходы препятствуют эффективной генерации заряда. Команда CityUHK разработала механизм, который преобразует эти «запертые» возбуждения в свободные электроны и дырки, которые могут быть собраны на электродах, тем самым улучшая генерацию фототока без ущерба для напряжения устройства.

На сегодняшний день сертифицированная эффективность органических солнечных элементов превышает 20 %, а эффективность устройств лабораторного масштаба — 21 % благодаря достижениям в области нефуллереновых акцепторов, контроля морфологии и снижения потерь энергии.

Органический солнечный элемент, разработанный исследователями, содержит низкомолекулярный нефуллереновый акцептор (НФА), известный как FTh-4F. Он широко используется в качестве акцептора электронов в органических солнечных элементах и относится к семейству акцепторов электронов с замкнутым кольцом. Он разработан таким образом, чтобы обеспечить сильное поглощение в ближнем инфракрасном диапазоне, эффективный перенос электронов и низкие потери энергии.

«Добавляя этот акцептор в качестве тернарного компонента в другие системы органических фотовольтаических элементов, мы восстанавливаем потери, связанные с триплетным состоянием, и повышаем эффективность органических фотовольтаических элементов за счет максимального увеличения количества извлекаемых фотоносителей», — пояснили ученые.

Они также обнаружили, что свободные носители заряда сохраняются гораздо дольше, чем спин-триплетные экситоны, а значит, триплетные экситоны могут превращаться обратно в свободные носители заряда, а не рассеиваться в виде тепла. Увеличив количество триплетных экситонов за счет сенсибилизации, они экспериментально подтвердили этот путь рециркуляции через межфазные состояния с триплетным переносом заряда. Кроме того, оптимизация структуры боковой цепи акцептора и делокализации экситонов уменьшила синглетно-триплетный энергетический разрыв (ΔEST), что повысило эффективность диссоциации триплетных экситонов.

Исследовательская группа сообщила, что последующие лабораторные эксперименты позволили еще больше повысить производительность ячеек, увеличив эффективность преобразования энергии более чем на 21%, но не предоставила дополнительных подробностей.

Новая технология была описана в статье «Рециклирование спин-триплетных экситонов в органических фотоэлектрических элементах», опубликованной в nature.

«Это исследование уточняет научные представления об эволюции экситонов/носителей заряда в органических оптоэлектронных устройствах и открывает широкие перспективы применения систем, в которых происходят процессы разделения и рекомбинации зарядов, — заявили ученые. — Ожидается, что этот прорыв значительно повысит эффективность использования энергии и ускорит переход к более чистому, эффективному и устойчивому будущему».

На сайте инверторы ру, вы можете купить аккумулятор FIAMM 12 FLB 400 P