Органические солнечные батареи могли бы стать лёгкой, дешёвой и универсальной альтернативой традиционным кремниевым, если бы не низкая эффективность преобразования света в электричество в органических полупроводниках. Сотрудники Центра Фотохимии РАН и МИФИ разбираются в причинах этого явления и предлагают в своей новой статье в журнале The Journals of Physical Chemistry. Series A.
При поглощении света неорганическим полупроводником, таким как кремний, электрон из валентной энергетической зоны переходит в зону проводимости, а в валентной зоне остаётся так называемая дырка. В неорганическом кристалле электроны и дырки движутся практически свободно, и ничего не мешает электрону с дыркой разбежаться подальше друг от друга.
Иная ситуация в органических полупроводниках, которые состоят из молекул, пусть даже довольно больших. В возбужденной светом молекуле электрон и дырка остаются в пределах молекулы и довольно быстро встречаются снова - рекомбинируют. При этом может излучиться свет (излучательная рекомбинация) или избыток энергии перейдёт в тепло (безызлучательная). Разделения зарядов, необходимого для работы батареи, не происходит.
Чтобы разделять заряды в органических полупроводниках, используют смеси веществ: одно легко отдаёт электроны (донор), другое легко их принимает (акцептор). Любое из них может поглощать свет, а дальше либо возбужденный электрон легко перепрыгнет на акцептор, либо донор с такой же легкостью захватит дырку. Для этого донор и акцептор просто должны находиться рядом. Такая пара из двух молекул, одна - захватившая электрон, а другая - дырку, называется эксиплексом с переносом заряда. В эксиплексе (EXCIted-state comPLEX) электрону с дыркой не очень просто рекомбинировать, поэтому образование таких эксиплексов необходимо для разделения зарядов в органических полупроводниках.
«Оказывается, далеко не любые пары «донор-акцептор» могут образовывать эксиплексы с переносом заряда. В нашей работе мы определили, по каким критериям следует подбирать пары "донор-акцептор", чтобы обеспечить образование эксиплексов, а следовательно, и эффективное разделение зарядов», - комментирует один из авторов работы, старший научный сотрудник Центра фотохимии РАН Александра Фрейдзон.
Ещё одна причина низкой эффективности органических солнечных батарей состоит в том, что большинство традиционно используемых молекул поглощает свет в видимой и УФ-области, тогда как большая часть солнечного излучения у поверхности земли приходится на ближний ИК-диапазон. Утилизация ИК-излучения особенно актуальна для облачных регионов, которых на Земле больше всего.
«В этой же работе мы предложили методику подбора молекул с поглощением в красной и ближней ИК области. На основе наших компьютерных моделей можно обучить искусственный интеллект и построить систему рекомендаций для производства органических фотовольтаических устройств с заданными свойствами. К последним относятся не только солнечные батареи, но и, например, фотоприемные матрицы», - дополняет Александра Фрейдзон.