Учёные разобрались, как движутся заряды в органических солнечных элементах

Команда профессоров Тэён Кима и Ду-Хюна Ко из Департамента химии Университета Сунгкюнкван опубликовала в журнале ACS Nano обзор под названием «Carrier Dynamics in Nonfullerene Acceptor Organic Photovoltaics through Ultrafast Spectroscopy». Исследование сосредоточено на понимании микроскопических процессов, происходящих в органических фотоэлементах в момент поглощения света и генерации электричества.

Почему органические солнечные элементы привлекают внимание

В отличие от жёстких кремниевых устройств, органические оптоэлектронные приборы могут быть лёгкими, гибкими и прозрачными, как пластик. Развитие новых материалов на основе нефуллереновых акцепторов привело к значительному повышению эффективности преобразования света в электрическую энергию. Однако принципы, управляющие процессами внутри этих материалов, долгое время оставались неясными, и разные исследовательские группы приходили к противоречивым выводам.

Три метода ультрабыстрой спектроскопии

Авторы обзора систематизировали исследования по ультрабыстрой спектроскопии, которая измеряет взаимодействия света и материи на временных шкалах фемтосекунд (одна квадрильонная доля секунды). Обзор описывает три основные техники: трансиентная абсорбция (TA), pump–push–probe (PPP) и двумерная электронная спектроскопия (2DES). Каждый метод позволяет разрешить определённые этапы процесса, но имеет свои ограничения.

Унификация терминологии и критерии интерпретации

В работе унифицирована терминология для промежуточных состояний, которая ранее использовалась непоследовательно разными исследовательскими группами. Авторы установили критерии, которые должны быть удовлетворены, прежде чем наблюдаемый сигнал можно отнести к конкретному состоянию. Это показало, что противоречивые сообщения о эталонном материале PM6:Y6 могут возникать не только из-за истинных физических различий, но и из-за разницы в экспериментальных условиях, таких как длина волны возбуждения и протоколы обработки плёнок.

Рекомендации для проектирования материалов

Обзор суммирует недавние исследования, показывающие, что молекулярная структура нефуллереновых акцепторов, их нанокристаллическая структура и квадрупольные моменты, генерируемые молекулами, снижают энергетические барьеры на границе раздела и подавляют рекомбинацию зарядов. Эти выводы преобразованы в рекомендации по проектированию материалов, обеспечивающих как эффективность, так и стабильность.

Направления будущих исследований

Авторы определили операндо-измерения в условиях работы устройства как ключевую задачу на будущее. Исследование предоставляет дорожную карту для инженеров и учёных по разработке лучших материалов, что в конечном итоге должно привести к созданию более эффективных, долговечных и коммерчески жизнеспособных решений для солнечной энергетики.