В последние годы значительно активизировались научные исследования в области органических фотовольтаических устройств (ОФУ). Особый интерес, в частности, представляют собой ОФУ, включающие в себя полимеры в качестве доноров и различные фуллерены (С₆₀) с присоединенными молекулами органических соединений в качестве акцепторов.

Так, межуниверситетская группа исследователей, в которую вошли американские и германские ученые из Джорджтаунского Университета (Georgetown University), Вашингтон, Округ Колумбия; компании Luna Innovations Inc., штат Вирджиния; Университета Фридриха-Александра (Friedrich-Alexander-Universität), Эрланген, Германия; Национальной лаборатории США по возобновляемой энергии (National Renewable Energy Laboratory), штат Колорадо; Университета Санта Барбара (University of Santa Barbara), штат Калифорния, разработала новый вид фуллеренов для подобных применений. Результаты исследований опубликованы в интернет-журнале Nature Materials (Endohedral fullerenes for organic photovoltaic devices).

Одним из фундаментальных ограничений эффективности преобразования энергии существующими органическими фотовольтаическими устройствами является низкий выход по напряжению, который определяется орбитальными несоответствиями между молекулами полимера-донора и молекулами акцептора.

Основным преимуществом новых полых С₆₀ по сравнению с существующими является более высокое напряжение холостого хода. Ученые отмечают, что напряжение холостого хода у новых фуллеренов – 890 мВ, в то время, как у лучших образцов, известных на сегодня, это напряжение не превышает 630 мВ. Группе, которую возглавлял д-р Мартин Дрис (Martin Drees), удалось существенно повысить важный параметр благодаря удачному введению в молекулу фуллерена ионов нитрида лютеция (Lu₃N). Д-р Дрис и его коллеги использовали достаточно большие фуллерены, чтобы ввести внутрь сферы молекулы нитридов. Авторы назвали новые фуллерены с наполнением Lu₃N – TNEF (trimetallic nitride endohedral fullerenes).

Поскольку растворимость первоначальных TNEF оказалась далеко от уровней, желательных при изготовлении органических фотовольтаических устройств, авторы поставили задачу их модификации. Группе д-ра Дриса удалось создать несколько модификаций путем эксоэдральной их функционализации, то есть, присоединения органических молекул снаружи С₆₀. Такие химические эксперименты были известны, но на фуллеренах значительно меньшего размера.

Обрабатываемость новых материалов оказалась вполне сравнимой с существующими. В результате, они легко могут быть использованы в уже существующих технологических процессах. Более высокое напряжение холостого хода дает им дополнительные преимущества. Такой новый материал выглядит весьма многообещающим. В настоящее время авторы поставили задачу подбора комбинаций TNEF и полимеров с целью получения материалов с более широким спектром поглощения для повышения эффективности органических фотоэлементов. По словам д-ра Дриса, моделирование показало возможность, и ученые надеются получить эффективность более 10 процентов, используя уже известные из публикаций полимеры –доноры.

Евгений Биргер