Сотрудники Массачусетского технологического института Ричард Лант (Richard Lunt) и Владимир Булович сконструировали относительно эффективные солнечные элементы, прозрачные в видимом диапазоне и поглощающие в ближней ИК-области спектра.

Если наладить производство недорогих фотоэлектрических элементов такого типа, их можно будет крепить на стёклах автомобилей и домов. Действительно, при изготовлении оконных стёкол часто приходится искусственно снижать их пропускание в видимом диапазоне до 70 или даже до 55 процентов, теряя отражённые или поглощённые проценты, а фотоэлементы, аналогичным образом уменьшающие пропускание, с пользой преобразуют энергию непрошедших фотонов.

Неорганические полупроводники с «полосчатыми» спектрами поглощения плохо приспособлены для этого. Напротив, экситонный характер органических полупроводников (тот факт, что поглощение ими света приводит к появлению экситонов, связанных состояний электрона и дырки) проявляется в виде спектра с чёткими пиками поглощения и провалами. Такой спектр более удобен, если пропускание элемента, по задумке конструктора, должно резко меняться при переходе от одного диапазона длин волн к другому.

Преимуществами органических полупроводников также называют гибкость, простоту обработки и низкую стоимость.

Рис. 1. Прозрачный фотоэлемент на рекламных материалах, подготовленных к 150-летию МТИ (фото Geoffrey Supran).

Свой вариант прозрачного фотоэлемента американцы решили построить на основе молекул фуллерена С₆₀ и хлоралюминиевого фталоцианина ClAlPc. В конструкцию, разумеется, входили и другие материалы, и самым важным из неосновных её элементов можно считать так называемый распределённый брэгговский отражатель — слоистую структуру, в которой коэффициент преломления периодически изменяется в направлении, перпендикулярном слоям. Здесь он был выполнен из перемежающихся слоёв TiO₂ и SiO₂ и играл роль прозрачного в видимом диапазоне зеркала, расположенного за С₆₀ и ClAlPc и отражавшего излучение в ближней ИК-области спектра. На рисунке ниже показано, насколько сильно отражатель увеличивал поглощение в этой области — параметр, непосредственно влияющий на работу элемента.

Катод и анод, естественно, тоже пришлось изготавливать из прозрачного материала, которым стал оксид индия и олова ITO.

Рис. 2. Спектр пропускания фотоэлементов, снятый для разных ITO-катодов с распределённым брэгговским отражателем (зеркалом) и без него (иллюстрация из журнала Applied Physics Letters).

При тестировании элементы с усреднённым пропусканием в видимом диапазоне, равным (65 ± 3)%, показали эффективность преобразования энергии в (1,3 ± 0,1)%. Если требования к пропусканию снизить до (56 ± 2)%, эффективность возрастёт до (1,7 ± 0,1)%.

Такие характеристики можно считать рекордными для прозрачных фотоэлементов. Впрочем, до кремниевых солнечных элементов с их 22-процентной эффективностью преобразования ещё очень далеко, и покрыть это расстояние органические полупроводники в принципе не способны: в планы авторов входит повышение эффективности только до 12%. На коммерциализацию технологии, как считают г-да Лант и Булович, уйдёт 5–10 лет.

Рис. 3. Эффективность работы и усреднённое пропускание в видимом диапазоне для фотоэлементов с разной толщиной ITO-катода (иллюстрация из журнала Applied Physics Letters).

Результаты исследований опубликованы в статье:

Richard R. Lunt and Vladimir Bulovic Transparent, near-infrared organic photovoltaic solar cells for window and energy-scavenging applications. – 98, 113305 (2011); doi:10.1063/1.3567516 (3 pages).