Фуллерены увеличили длину диффузии электронов в органических солнечных батареях

Robert Coelius / Michigan Engineering

Американские ученые разработали органическую солнечную батарею, в которой за счет введения в структуру молекул фуллерена длина диффузии электронов достигает нескольких сантиметров, что примерно на пять порядков больше, чем в аналогичных устройствах. В будущем такие элементы можно будет использовать для создания полупрозрачных фотоэлектрических устройств и органических полевых транзисторов, пишут ученые в Nature.

В отличие от твердотельных солнечных батарей на основе кремния или перовскитных материалов, в органических солнечных элементах в качестве поглощающего слоя используются органические молекулы с полупроводниковыми свойствами. За счет введения в химическую структуру этих молекул различных функциональных групп можно управлять шириной их запрещенной зоны, кроме того, они позволяют сделать солнечные элементы гибкими и сильно снизить их массу. Основной недостаток таких ячеек, приводящий к значительному уменьшению их эффективности, — очень небольшое расстояние, на которое образовавшиеся в результате поглощения фотонов носители заряда могут перемещаться внутри таких материалов. За счет эффектов туннелирования электроны могут перемещаться, перескакивая с одной молекулы на другую, однако максимальная длина диффузии электронов и дырок, не превосходит одного микрометра. Органические полупроводники хороши тем, что они легкие и их можно использовать в качестве элементов светодиодов, например, для дисплеев

Американские ученые под руководством Квинна Бурлингейма (Quinn Burlingame) из Мичиганского университета показали, что для увеличение длины диффузии электронов в органических полупроводниковых пленках можно использовать дополнительный слой из молекул фуллерена. Молекулы фуллеренов (C60 или C70) ученые предложили использовать сразу в двух слоях: в смеси с органическим донорным материалом (в качестве донора используются сложные органические молекулы с ароматическими группами) в полупроводниковом слое и чистый фуллерен — в качестве проводящего слоя. Такой слой вводится в структуру органической солнечной батареи с помощью вакуумного испарения и служит для образовавшихся электронов энергетической ямой, не давая им рекомбинировать с дырками и резко увеличивая длину, на которую они могут перемещаться.

Предложенная учеными гетероструктура позволила значительно увеличить подвижность носителей заряда — как электронов, так и дырок, так что смогли перемещаться на расстояние до 3,5 сантиметра от места поглощения фотона, что обычно даже больше площади области поглощения. Обычно длина диффузии электронов в подобных устройствах не превосходит несколько сот нанометров. Коэффициент диффузии заряда в слое фуллеренов при комнатной составил температуре 0,83 квадратного сантиметра в секунду.

Ученые считают, что предложенная ими технология поможет в скором времени значительно повысить эффективность органических солнечных батарей. И принимая во внимание остальные достоинства таких устройств — их легкость, гибкость и относительную дешевизну, — такие солнечные элементы можно будет использовать и в коммерческих приложениях, в частности для создания устройств полупрозрачной фотовольтаики, органических полевых транзисторов и поперечных фотоэлектрических устройств.

Стоит отметить, что проводящие свойства органических молекул интересуют ученых не только с точки зрения их практического использования, но и для описания фундаментальных свойств биологических полимеров. Например, недавно ученые обнаружили, что некоторые молекулы белка за счет механизмов молекулярной проводимости могут проводить электрический ток короткими импульсами.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.