Международная группа учёных, в которую входят специалисты МФТИ, показала, что упорядоченные структуры на основе органических молекул могут стать основой для солнечных батарей. Используя такие структуры, учёные нашли способ повысить эффективность органических фотопреобразователей в несколько раз.

Солнечные батареи — или, корректнее, фотоэлектрические преобразователи — на сегодня одно из самых перспективных направлений в энергетике. Так, суммарная мощность батарей, смонтированных по всему миру только за 2017 год, составила 400 гигаватт — больше, чем мощность всех российских электростанций. Солнечная отрасль переживает беспрецедентно бурный рост и ключевую роль в этом играет удешевление батарей вместе с ростом их эффективности. Современные фотоэлектрические преобразователи в массе своей используют поликристаллический кремний, но учёные работают и над альтернативными вариантами. Одна из возможных замен кремнию — органические соединения, особые полимеры с фотоэлектрическими свойствами.

На страницах журнала Journal of Materials Chemistry A группа французских исследователей при участии учёных из МФТИ описала один из способов повысить эффективность органических фотопреобразователей при помощи добавления к полимеру атомов фтора. Ранее полученные данные указывали, что фторированные молекулы образуют упорядоченную структуру и это существенно улучшает фотоэлектрические свойства материала, но полного понимания сути этого процесса у химиков не было. Экспериментируя с модификациями исходных молекул, международный коллектив учёных смог добиться роста эффективности образцов с 3,7 до 10,2%. Это всё ещё меньше хороших коммерческих солнечных батарей, однако столь значительное увеличение КПД заставляет всерьёз отнестись к новому материалу: такими темпами он может и перегнать сегодняшних фаворитов.

На молекулярном уровне использованный полимер представляет собой цепочку из звеньев довольно сложной конфигурации. Каждое звено включало несколько гетероциклов с серой (замкнутые пятиугольники из четырёх атомов углерода и одного атома серы), а также боковые углеводородные цепочки, имеющие разветвлённую структуру.

Варьируя длину боковых цепей и наличие атомов фтора, исследователи обнаружили, что удачная комбинация отличается в разы как большей эффективностью, так и большим выдаваемым током. На микроскопическом уровне молекулы «удачного» вещества формировали более упорядоченные стопки (это было показано при помощи рентгеноструктурного анализа) и отличались большей подвижностью носителей заряда — последняя связана с электрической проводимостью, которая, очевидно, должна быть у солнечной батареи достаточно высокой.

По словам профессора Дмитрия Иванова, заведующего лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ, директора исследований Национального центра научных исследований (Франция), «для оптимизации эффективности органической солнечной батареи необходимо было не только правильно подобрать молекулярные энергетические уровни донора и акцептора, но и создать соответствующую надмолекулярную структуру, облегчающую перенос зарядов на электроды». Исследователь указал, что органические солнечные батареи могут оказаться более технологичными: процесс производства имеет меньше стадий по сравнению с традиционными кремниевыми фотопреобразователями, хорошо поглощающее свет вещество можно наносить гораздо более тонким слоем, а сами батареи не обязательно делать плоскими. «Органические батареи можно наносить, к примеру, на черепичную крышу», — прокомментировал Иванов.