Ученые описали новый способ выражения потерь энергии в органических солнечных батареях и расширили это описание, чтобы дать рекомендации по проектированию лучших устройств. Этот «прорыв» может переосмыслить традиционный подход к созданию органических солнечных батарей.
Органические солнечные элементы — это новая технология с большими перспективами. В отличие от вездесущих кремниевых солнечных панелей, они могут быть легкими, гибкими и представлять различные цвета, что делает их особенно привлекательными для городских или фасадных приложений. Тем не менее, дальнейший прогресс в производительности устройств был вялым, поскольку исследователи работают над пониманием фундаментальных процессов, лежащих в основе работы органических солнечных элементов.
Теперь инженеры Принстонского университета и Университета науки и технологий короля Абдуллы описали новый способ выражения потерь энергии в органических солнечных элементах и расширили это описание, чтобы дать рекомендации по разработке лучших устройств. Этот прорыв может переосмыслить традиционный подход к созданию органических солнечных элементов. Их работа была опубликована 18 ноября в журнале Joule.
«Был способ, которым традиционно описывались и определялись потери энергии в органических солнечных элементах. И оказалось, что это описание было не совсем правильным», — сказал Барри Рэнд, соавтор исследования и доцент кафедры электротехники и вычислительной техники. Андлингер Центр энергетики и окружающей среды.
Рэнд указал, что традиционный метод описания потерь энергии не учитывает наличие беспорядка в органическом солнечном элементе. Один тип беспорядка, динамический беспорядок, вызван беспорядочным движением молекул на микроуровне, приводящим к потере энергии, которая практически неизбежна при большинстве температур. Другой тип, структурный или статический беспорядок, является продуктом внутренней структуры различных материалов, используемых в органическом солнечном элементе, а также их расположением внутри устройства.
Прошлые исследования органических солнечных элементов, которые не учитывали беспорядок в расчетах потерь энергии, дали значения около 0,6 электрон-вольт, независимо от материалов устройства. Но когда Рэнд и его команда включили беспорядок в способ расчета потерь энергии и тестирования различных устройств, они обнаружили, что уровень беспорядка играет важную роль в определении общих потерь энергии органического солнечного элемента.
«По мере увеличения беспорядка в солнечном элементе мы видим, что наша безизлучательная составляющая потерь энергии — составляющая, которую мы контролируем, — быстро растет», — сказал Рэнд. «Безизлучательные потери энергии растут пропорционально квадрату компонента беспорядка».
После демонстрации того, что увеличение беспорядка приводит к резкому увеличению потерь энергии в устройствах, исследователи смогли дать рекомендации по материалам, которые минимизируют беспорядок и, следовательно, приводят к созданию более эффективных устройств. Поскольку ученые могут выбирать материалы, которые они используют, а также способ их размещения в органическом солнечном элементе, они имеют некоторый контроль над уровнем структурного беспорядка в данном устройстве.
При разработке органического солнечного элемента исследователи могут сосредоточиться на создании гомогенной смеси материалов, в которой части пленки либо все кристаллические, либо все аморфные, или гетерогенной смеси, в которой некоторые части пленки являются кристаллическими, а другие части являются аморфными.
Своей работой команда Рэнд продемонстрировала, что когда дело доходит до создания органических солнечных элементов, преобладают однородные смеси. По словам Рэнд, для более эффективных органических солнечных элементов ученые должны использовать либо высококристаллические, либо высокоаморфные материалы и избегать их смешивания в устройстве.
«Если у вас есть что-то среднее, какая-то неоднородность, в которой части пленки слегка кристаллические, а некоторые части аморфные, тогда вы теряете больше всего энергии», — сказал Рэнд.
Это открытие противоречит общепринятому, поскольку ранее исследователи считали, что некоторый уровень неоднородности смесей солнечных элементов благотворно влияет на общую производительность. Но поскольку команда Рэнда обнаружила, что гетерогенные смеси устройств имеют высокий уровень беспорядка и теряют значительное количество энергии, он сказал, что их открытие может дать исследователям новый фокус, поскольку они ищут более эффективные органические солнечные элементы.
«Гетерогенность часто была в центре внимания устройств. Считалось, что некоторый уровень кристалличности полезен. Но оказалось, что это не то, что мы видели», — сказал Рэнд. Он указал, что многие из наиболее эффективных органических солнечных элементов сегодня состоят из высокоаморфных пленок, и предположил, что при существующих технологиях полностью аморфные смеси более практичны, чем полностью кристаллические.
Хотя исследование его команды в первую очередь было направлено на то, чтобы понять науку, лежащую в основе органических солнечных элементов, Рэнд надеется, что другие смогут использовать их работу для создания более эффективных устройств и, в конечном итоге, достичь новых эталонов производительности для этой многообещающей солнечной технологии.
«Это открытие — еще один аспект органических солнечных элементов, который мы можем добавить к тому, что мы уже знаем, что поможет нам повысить их эффективность в будущем», — сказал Рэнд.
Статья «Количественная оценка влияния энергетического беспорядка на потери энергии органических солнечных элементов» была опубликована в журнале Joule 18 ноября.
