Японские исследователи создали новую молекулу для повышения эффективности органических тонкопленочных солнечных элементов
Ученые из Осакского столичного университета разработали новую молекулу, которая способна самостоятельно формировать p/n-гетеропереходы — критические структуры, отвечающие за преобразование солнечного света в электричество. Это достижение открывает перспективный путь к созданию более эффективных органических тонкопленочных солнечных элементов.
Органические солнечные элементы на основе углеродных полупроводников, в отличие от традиционных кремниевых, обладают малым весом, гибкостью и экономичностью. Их можно интегрировать в чернила для печати на различных поверхностях, таких как пленки для окон или даже ткани. Однако их эффективность до сих пор уступает классическим кремниевым аналогам, отчасти из-за сложностей в создании оптимальных p/n-гетеропереходов.
«Для быстрого разделения и переноса зарядов, генерируемых при поглощении света, p/n-гетеропереход должен быть точно настроен, — пояснил ведущий автор исследования, доцент Высшей школы инженерии Осакского столичного университета Такеши Маэда. — Традиционно такие интерфейсы создаются путем физического смешивания p-типа и n-типа молекул. Но даже незначительные изменения в условиях обработки могут привести к неоднородному смешиванию, нестабильным структурам и снижению производительности устройства».
В качестве альтернативы исследователи сосредоточились на стратегии интеграции p-типа и n-типа компонентов в рамках одной молекулы, что позволяет создавать наноразмерные p/n-гетеропереходы исключительно за счет молекулярной самосборки. Для этого команда разработала молекулу типа «донор-акцептор-донор» под названием TISQ. Она объединяет p-тип сегмент на основе скварейна (донор) и n-тип сегмент на основе нафталиндиимида (акцептор), связанные амидными группами, которые способствуют образованию водородных связей.
Было обнаружено, что TISQ может спонтанно самоорганизовываться в различные наноструктуры в зависимости от растворителя. В полярных растворителях молекулы формируют наночастицеподобные J-тип агрегаты, тогда как в малополярных — они собираются в волокнистые H-тип агрегаты. Ключевым результатом стало то, что J-тип агрегаты демонстрируют почти вдвое более высокий фототоковый отклик по сравнению с H-тип структурами.
Для проверки применимости в устройствах исследователи изготовили органические тонкопленочные солнечные элементы, используя TISQ в качестве однокомпонентного фотоактивного материала. Молекула продемонстрировала способность формировать функциональные наноразмерные p/n-гетеропереходы через самосборку.
«Такой подход снизу вверх предоставляет платформу для изучения того, как молекулярная самоорганизация может быть преобразована в электронную функциональность, — отметил Такеши Маэда. — Это открывает перспективы не только для органических солнечных элементов, но и для широкого спектра оптоэлектронных устройств, от фотодетекторов до систем сбора света».