Ученые открыли новый фотофизический механизм, который достиг рекордной эффективности для органических фотоэлектрических систем

Наиболее эффективные OPV, разработанные командой CityU, достигли показателя PCE более 19%, и команда ожидает, что очень скоро этот показатель превысит 20%. Это открытие многообещающе для коммерциализации OPV.

OPV, технология солнечных батарей на основе органических полупроводников, считается многообещающим кандидатом на использование чистой энергии из-за их низкой токсичности и широких возможностей молекулярной настройки фотоактивных материалов. В настоящее время большинство высокопроизводительных органических фотоэлектрических элементов используют структуру «объемного гетероперехода» (BHJ), состоящую из материалов донора и акцептора электронов, перемешанных по всему активному слою устройства (см. Рисунок 1).

При преобразовании солнечного света в электричество в OPV энергия солнечного света создает экситоны (отрицательно заряженный электрон и положительно заряженная дырка, связанные вместе), которые затем диссоциируют на свободные электроны и дырки на наноразмерной донорно-акцепторной границе, генерируя носители заряда (фототок) и отсюда электричество.

Однако, если эти носители заряда не собираются электродами и снова встречаются на границе донор-акцептор, они могут рекомбинировать с образованием так называемого низкоэнергетического «спин-триплетного экситона» (T₁), который последовательно релаксирует обратно в основное состояние, вызывая потерю энергии в виде тепла и, следовательно, потерю фототока. Этот необратимый процесс сильно ограничивает максимально достижимый PCE OPV.

Исследовательская группа под руководством профессора Алекса Джен Кван-юэ, профессора кафедры материаловедения Ли Шау Ки и директора Гонконгского института чистой энергии в CityU, преодолела это препятствие, изобретая новую стратегию разработки устройств для подавления T₁ образование и минимизировать связанные с этим рекомбинационные потери, что привело к рекордной эффективности ОПВ.

«Мы первая команда, которой удалось смодулировать T₁ «Используя эту стратегию, мы расширили ее до 14 других материальных систем, чтобы показать универсальную применимость этого исследования». Их выводы были опубликованы в научном журнале Природная энергияпод заголовком «Подавление рекомбинационных потерь в органических фотоэлектрических элементах, использующих архитектуру планарно-смешанного гетероперехода».

Заменив традиционную архитектуру объемно-гетероперехода с высокой степенью смешивания (BHJ) внутри солнечного элемента на довольно смешанный «планарно-смешанный гетеропереход» (PMHJ), чтобы уменьшить донорно-акцепторный интерфейс внутри активного слоя OPV, команда удалось уменьшить потери на преобразование энергии в ОПВ за счет подавления рекомбинации носителей заряда. Это открытие максимизировало фототок OPV, в результате чего были созданы устройства с высоким PCE более 19%.

«По сравнению с традиционной архитектурой смешанного объемного гетероперехода (BHJ), наша стратегия смешанного планарно-смешанного гетероперехода (PMHJ) способна подавлять путь потерь, опосредованный состояниями переноса заряда на донорно-акцепторном интерфейсе, — объяснила профессор Джен. «Мы обнаружили, что наличие меньшего количества донорно-акцепторных контактов в плоскостно-смешанном гетеропереходе минимизирует вероятность рекомбинации и приводит к снижению Т₁ концентрация. Это фундаментально меняет прежнее мнение исследователей об ОПВ: чем больше контактов донор-акцептор, тем выше эффективность ОПВ».

«Достигнутый оптимальный компромисс между фотонапряжением и фототоком в результате нашей стратегии позволяет использовать OPV с конкурентоспособной эффективностью, сравнимой с эффективностью неорганических фотоэлектрических элементов», — добавил доктор Фрэнсис Лин, постдок химического факультета, который также принимал участие в исследовании. Он объяснил, что органические фотоэлектрические элементы имеют ряд преимуществ перед неорганическими аналогами, например, легкий вес и гибкость, как тонкая пластиковая пленка, а также возможность экономически эффективного производства с использованием рулонной печати.

Команда считает, что ее последнее открытие обеспечивает всеобъемлющую основу для будущей органической фотоэлектрической энергии, которая сможет полностью реализовать свои возможности и стимулировать новую волну исследований разносторонних фотофизических процессов в органических полупроводниках.

Они подают заявку на патент на открытие. «Мы надеемся еще больше повысить эффективность OPV после нашего нового открытия модуляции фотофизических процессов. Это переопределяет максимальный потенциал OPV для облегчения их коммерциализации», — сказал профессор Джен.

Профессор Джен и доктор Линь из CityU и профессор Чжан Чуньфэн из Нанкинского университета являются авторами статьи. В число первых авторов входит г-н Цзян Куй, аспирант кафедры химии CityU, который участвовал в исследовании, когда был научным сотрудником в группе профессора Джен.

Исследование было поддержано различными источниками финансирования, включая профессорскую кафедру Ли Шау-Ки (материаловедение), CityU, Комиссию по инновациям и технологиям Гонконга, Совет по исследовательским грантам Гонконга, Крупный проект фундаментальных и прикладных исследований провинции Гуандун. Фундаментальные исследования и Совместная лаборатория оптоэлектронных и магнитных функциональных материалов Гуандун-Гонконг-Макао.