Ученые показали, что упорядоченные структуры на основе органических молекул могут стать основой для солнечных батарей. Используя такие структуры, ученые нашли способ повысить эффективность органических фотопреобразователей в несколько раз. Результаты работы коллектива ученых, в который входят сотрудники МФТИ, опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry A.

Солнечные батареи — или, корректнее, фотоэлектрические преобразователи — на сегодня одно из самых перспективных направлений в энергетике. Так, суммарная мощность батарей, смонтированных по всему миру только за 2017 год, составила 400 гигаватт: больше, чем мощность всех российских электростанций. Современные фотоэлектрические преобразователи в основном используют поликристаллический кремний, но ученые работают и над альтернативными вариантами. Одна из возможных замен кремнию — органические соединения, особые полимеры с фотоэлектрическими свойствами.

В новой работе ученые описали один из способов повысить эффективность органических фотопреобразователей, добавляя к полимеру атомы фтора. Ранее полученные данные указывали, что фторированные молекулы образуют упорядоченную структуру, и это существенно улучшает фотоэлектрические свойства материала, но но химики до конца не понимали, как происходит этот процесс. Экспериментируя с модификациями исходных молекул, международный коллектив ученых смог добиться, чтобы эффективность образцов выросла с 3,7 до 10,2%. Это все еще меньше, чем у хороших коммерческих солнечных батарей, однако столь значительное увеличение КПД заставляет отнестись к новому материалу всерьез.

На молекулярном уровне использованный полимер представляет собой цепочку из звеньев довольно сложной конфигурации. Каждое звено включало несколько гетероциклов с серой (замкнутые пятиугольники из четырех атомов углерода и одного атома серы), а также боковые углеводородные цепочки, имеющие разветвленную структуру. Варьируя длину боковых цепей и наличие атомов фтора, исследователи обнаружили, что удачная комбинация в несколько раз эффективнее. На микроскопическом уровне молекулы «удачного» вещества формировали более упорядоченные «стопки» (это ученые показали при помощи рентгеноструктурного анализа), а носители заряда в образце были более подвижны. Это связано с электрической проводимостью, которая у солнечной батареи должна быть достаточно высока.

«Для оптимизации эффективности органической солнечной батареи необходимо было не только правильно подобрать молекулярные энергетические уровни донора и акцептора, но и создать соответствующую надмолекулярную структуру, облегчающую перенос зарядов на электроды», — говорит соавтор работ Дмитрий Иванов из МФТИ. Исследователь указал, что органические солнечные батареи могут оказаться более технологичными: процесс производства имеет меньше стадий по сравнению с традиционными кремниевыми фотопреобразователями, хорошо поглощающее свет вещество можно наносить гораздо более тонким слоем, а сами батареи необязательно делать плоскими. В частности, такие батареи можно будет наносить на черепичную крышу.