Ученые НИСТ (National Institute of Standards and Technology – NIST), США провели исследования, показавшие ключевые элементы технологии изготовления нового класса солнечных органических фотоэлементов, универсальных, дешевых и достаточно эффективных.

Органическая фотовольтаика, основанная на свойстве некоторых органических молекул преобразовывать энергию солнечного света в электрическую, является одной из «горячих» и популярных областей исследования, поскольку органические фотоэлементы несут в себе огромные преимущества по сравнению с традиционными, жесткими кремниевыми приемниками излучения. Особое достоинство органических пленок заключается в том, что они могут быть нанесены как чернила или краска, формируя фотоэлементы на гибких поверхностях практически любой формы и на очень больших площадях.

Распространение этой технологии сдерживают два важных фактора: невысокая (менее 6 процентов) эффективность преобразования и малый (несколько тысяч часов) срок службы. Считается, что коммерческие перспективы органических солнечных элементов зависят от того, сумеют ли они достичь десятипроцентной эффективности при одновременном увеличении расчетного ресурса до 10 тысяч часов. Попыткам модернизировать структуру органического покрытия для повышения эффективности преобразования энергии была посвящена работа исследователей НИСТ.

Ученые показали, что свойства поверхности электрода, используемого при изготовлении органических фотогальванических пленок, оказывают значительное влияние на характеристики последних. Результаты исследований опубликованы: D.S. Germack, C.K. Chan, B.H. Hamadani, L.J. Richter, D.A. Fischer, D.J. Gundlach and D.M. DeLongchamp. Substrate-dependent interface composition and charge transport in films for organic photovoltaics. Applied Physics Letters, 94, 233303 (2009), DOI: 10.1063/1.3149706.

Органический солнечный элемент в разрезе. Слои сверху вниз: стекло, слой окиси индий-олово, слой термопластика (желто-коричневым выделен полимер, синим — фуллерен). Электрический ток образуется в слое полимер – фуллерен. (Иллюстрация NIST.)

Авторы сосредоточили внимание на наиболее часто встречающемся типе элементов (см. рис.), действующим веществом которых является смесь полимера, поглощающего излучение с выделением электронов, и фуллерена, эти электроны «собирающего». При нанесении такой смеси на поверхность она твердеет и образует пленку, в толще которой формируются полимерные и фуллереновые «каналы». В идеале эти токопроводящие структуры должны достигать краев пленки; если же между нижним краем и полимерами образуется преграда из молекул фуллерена, эффективность устройства падает.

Воспользовавшись методами исследования околокраевой тонкой структуры рентгеновского поглощения, ученые выяснили, что при определенных условиях поверхность электрода начинает отталкивать молекулы фуллерена в глубину пленки, что сразу повышает эффективность; электрические свойства контакта при этом также изменяются в лучшую сторону. Таким образом, физики НИСТ определили ряд ключевых параметров, необходимых для оптимизации процессов, происходящих на краях органических пленок, что имеет огромную важность для промышленных стратегий оптимизации показателей фотоэлементов.

Евгений Биргер