Исследователи из Университета технологий Эйндховена (Eindhoven University of Technology) и Университета Ульма (University of Ulm) получили первые 3D-изображения с высоким разрешением внутренней структуры полимерной ячейки солнечной панели. Это позволило взглянуть на её работу под недоступным ранее углом. Работа проливает новый свет на принцип функционирования полимерных фотоэлектрических элементов.

Такие устройства не превосходят эффективность кремниевых аналогов. Полимерные элементы, тем не менее, могут быть напечатаны в ходе рулонного процесса производства с большим объёмом выхода продукции, что делает технологию высокорентабельной. Плюс ко всему, эти элементы гибкие и лёгкие, а следовательно пригодные для использования в транспортных средствах, одежде или бытовых предметах, интерьере помещений.

Гибридные солнечные ячейки состоят из полимерного материала и оксида металла, на границе которых возникает заряд при попадании солнечного света. Степень включения каждого компонента в смесь существенно влияет на эффективность. Глубокое смешивание расширяет площадь поверхности взаимодействия, на которой формируются заряды, но в то же время затрудняет их перенос, потому как создаёт длинные извилистые пути для них. Крупные области каждого вещества ведут к прямо противоположным результатам. Крайне разнообразный химический состав полимеров и оксидов металлов делает очень сложным контроль за структурой в наномасштабе. Исследователи из Эйндховена смогли во многом обойти проблему с помощью предварительного состава, добавляемого в полимер и превращаемого в оксид металла только после попадания в светочувствительный слой. Такая методика позволяет извлечь до 50% поглощённых фотонов в виде зарядов во внешнюю цепь.

Важность степени смешения компонентов была чётко продемонстрирована визуализацией структуры смеси в трёх измерениях. Обычно такой процесс чрезвычайно сложен, но с использованием трёхмерной электронной томографии команде учёных удалось разрешить состав с беспрецедентной детализацией в наномасштабе. Новые снимки исследователи из Института стохастики (Institute of Stochastics) в Ульме применили для измерения дистанций между двумя компонентами, связанной с эффективностью образования зарядов, и анализа траекторий «просачивания», показывающих количество вещества каждого компонента, связанного с электродом. Такой количественный анализ идеально соответствует наблюдаемой эффективности солнечных ячеек под солнечным светом.

Томографическое 3D-изображение гибридной ячейки. Показано взаимопроникновение оксида металла (жёлтый) под алюминиевым контактом (серый) в полимер (чёрный)

Даже учитывая, что эти ячейки с гибридным полимером находятся среди самых эффективных в своём классе, их 2% коэффициент преобразования должен быть увеличен, чтобы сделать их реально пригодными. Такой цели можно добиться повышением качества морфологии светочувствительной смеси, например, путём создания полимеров, взаимодействующих с оксидами металлов, и разработки материалов или молекул, поглощающих большую часть солнечного спектра. На таком уровне настоящие преимущества солнечных ячеек на основе гибридных полимеров в показателях стоимости и термической стабильности структуры могут эксплуатироваться в полной мере.