Фуллерены увеличили длину диффузии электронов в органических солнечных батареях

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