Инженеры создают долговечные органические солнечные батареи: новая эра зеленой энергетики

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Наука и космос

Мир стремительно меняется, требуя новых, экологичных источников энергии. Одной из перспективных областей является развитие органических солнечных элементов, которые могут стать основой для гибких, доступных и экологически чистых панелей. В последние годы значительные успехи были достигнуты с использованием акцепторов типа Y6 — молекул, эффективно принимающих электроны, что позволило повысить эффективность солнечных батарей до 19%. Однако оставалась проблема — такие батареи быстро деградировали под воздействием солнечного света.

Органический солнечный элемент, вольная интерпретация
Автор: Designer

Новое исследование учёных из Гонконга и США проливает свет на загадку эффективности и стабильности органических солнечных элементов, созданных на основе полимеризованных акцепторов Y6 (Y6-PA). Эти материалы представляют собой своего рода цепочки, состоящие из нескольких молекул Y6.

a Молекулярные структуры Y6, PY-IT, PYF-T-o и PY-V-γ. b Нормированные спектры поглощения и спектры фотолюминесценции (ФЛ) (возбужденные при 680 нм) растворов Y6, PY-IT, PYF-T-o и PY-V-γ в хлороформе. c Нормированные спектры поглощения и спектры ПЛ (возбужденные при 720 нм) пленок Y6, PY-IT, PYF-T-o и PY-V-γ. d, e Пограничные орбитали Y6 (d) и PY-IT (e) с наибольшим вкладом в момент перехода S0-S1, где боковые цепи замещены метильной группой. Аналогичные результаты получены для PYF-T-o и PY-V-γ
Автор: Wang, Z., Guo, Y., Liu, X. et al. The role of interfacial donor-acceptor percolation in efficient and stable all-polymer solar cells. Nat Commun15, 1212 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-45455-0 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Загадка долголетия

Основная проблема с Y6 — их склонность к агрегации, то есть к «слипанию» молекул. В таком состоянии акцепторы Y6 демонстрируют короткий срок жизни возбужденного состояния, что препятствует эффективному разделению зарядов и снижает производительность солнечных батарей.

Удивительно, но Y6-PA, несмотря на схожую химическую структуру, демонстрируют высокую эффективность, даже будучи полимеризованными. Ученые обнаружили, что в растворенном или дисперсном состоянии Y6-PA обладают значительно более долгим временем жизни возбужденного состояния. Это связано с тем, что полимерная структура препятствует «слипанию» молекул и образованию агрегатов.

a, b Нормированные по толщине с поправкой Лоренца профили резонансного мягкого рентгеновского рассеяния (R-SoXS) чистых (a) и смешанных (b) пленок, полученные при 284 эВ. Сигналы флуоресценции при высоких q были вычтены. Здесь значения q соответствуют длинным периодам (L) с отношением L = 2π/q, а интегральная площадь под профилями (общая интенсивность рассеяния) отражает доменную чистоту смесей. c Схематическая иллюстрация D-A межфазной перколяции Y6-PA в PM6 в сравнении с PM6:Y6-SMA.
Автор: Wang, Z., Guo, Y., Liu, X. et al. The role of interfacial donor-acceptor percolation in efficient and stable all-polymer solar cells. Nat Commun15, 1212 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-45455-0 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com
Секрет в переплетениях

Ключевым моментом в работе является концепция «перколяции» — образования своеобразной сети, пронизывающей всю структуру материала. С помощью компьютерного моделирования и рентгеновского рассеяния ученые показали, что Y6-PA имеют большую смешиваемость с донорным полимером, чем обычные Y6. Это приводит к образованию дисперсных и вытянутых цепочек Y6-PA, которые переплетаются с донорным полимером, создавая эффективную сеть для разделения зарядов.

Стабильность — залог успеха

Более того, благодаря этой перколяции Y6-PA улучшается термодинамическая стабильность структуры солнечного элемента. Это означает, что такие батареи менее подвержены деградации под воздействием солнечного света и имеют более долгий срок службы.

Взгляд в будущее

Результаты исследования открывают новые пути для создания высокоэффективных и стабильных органических солнечных элементов. Ученые предлагают сконцентрироваться на улучшении смешиваемости донорных и акцепторных материалов, а также на разработке новых полимерных акцепторов с улучшенными свойствами.

Новые материалы могут стать основой для гибких, доступных и экологичных солнечных панелей, которые найдут применение в самых разных областях — от архитектуры и транспорта до носимой электроники и космических исследований.

Какие еще факторы, помимо морфологии, могут влиять на стабильность органических солнечных элементов?

На стабильность органических солнечных элементов могут влиять различные факторы, включая:

Деградация донорного полимера: Под воздействием солнечного света и кислорода донорный полимер может разрушаться, что снижает эффективность устройства.

Дефекты на границе раздела: Наличие дефектов на границе раздела между донорным и акцепторным материалами может привести к ловушкам для зарядов и снижению эффективности.

Влага и температура: Воздействие влаги и высоких температур может привести к деградации материалов и снижению производительности устройства.

Можно ли использовать Y6-PA в тандемных солнечных элементах для дальнейшего повышения эффективности?

Y6-PA могут быть перспективными материалами для использования в тандемных солнечных элементах. Тандемные устройства состоят из нескольких слоев, каждый из которых поглощает свет в разных областях спектра, что позволяет повысить общую эффективность преобразования солнечной энергии. Y6-PA, благодаря своей широкой области поглощения, могут быть использованы в таких устройствах для эффективного улавливания света в ближнем инфракрасном спектре.

1 комментарий

A
Лучшие органические солнечные элементы созданы самой природой — это растения. А из них можно получать энергию, тоже биотопливо (спирт), к примеру. Практически полностью экологически чистое топливо, если ещё сельхоз технику заправлять им, которая используется в процессе выращивания культур, то будет почти 100% экологически чистое. Никакие органические солнечные элементы не сравнятся в экологичности с ним. Впрочем, в пустынях не вырастить растения, а вот электрическую энергию получать можно из солнечной радиации, правда солнечные панели не единственный способ, сейчас прорабатываются и другие.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Первый гревел Shulz: изучаем прототип велосипеда The Lightning

Бренд Shulz наконец-то дал возможность всесторонне рассмотреть, что из себя будет представлять первый гревел компании. Выпущенный видеоролик-анонс состоит из двух частей. В первой ведущий канала...

С какой скоростью надо ездить по лужам

В дождливую погоду дороги становятся особенно коварными, а лужи на асфальте — не просто лужи, а настоящие испытания для водителя и его автомобиля. Каждая такая встреча скрывает риски: от...

Почему на современных стиральных машиных нельзя отключить отжим, и как это исправить вручную

Если на моделях стиральных машин 7-10 летней давности управление оборотами отжима (вплоть до 0) было базовой возможностью, то у современной техники подобная функция встречается всё реже. Но для...

Как можно узнать, сколько герц в экране Айфона и на что они влияют

В мире смартфонов происходит настоящая революция, связанная с частотой обновления экранов. Долгое время стандартом считались 60 Гц, но теперь производители, включая Apple, переходят на более...

Как одеваться в жаркую погоду, чтобы было комфортно

Лето — пора яркого солнца и прогулок на свежем воздухе. Но высокая температура может стать настоящим вызовом, если тщательно не продумать образ. Поговорим о том, как правильно одеваться...

Обзор MobaPad M6S: максимально удобная альтернатива Joy-Conn для Nintendo Switch

Над альтернативой для штатных Joy-Conn игровой консоли Nintendo Switch работали сразу несколько производителей, причем относительного успеха добился каждый из них, но по возможностям лучше, чем...