Исследования ученых из США показали, что солнечные ячейки, созданные из органических материалов, дополненных металлическими наночастицами, могут стать недорогой и энергоэффективной альтернативой кремниевым устройствам. Созданная в качестве примера солнечная ячейка позволила снизить толщину активного слоя с одновременным увеличением эффективности преобразования на 30%.

Спрос на дешевые инструменты преобразования энергии из возобновляемых источников является движущей силой развития органических фотогальванических устройств

. Основное их преимущество по сравнению с кремниевыми устройствами заключается в более низкой цене производства. Однако до сих пор на фоне кремния органические солнечные ячейки обладают достаточно низкой эффективностью преобразования.

Органическое фотогальваническое устройство обычно состоит из активного слоя, расположенного между двумя электродами. Когда эта система освещается внешним источником света, фотоны поглощаются внутри активного слоя, создавая при этом пары носителей заряда или экситоны. Чтобы такая ячейка была эффективной, фотогенерированные экситоны должны распасться на самостоятельные носители – электрон и дырку проводимости, чтобы обеспечить накопление заряда на электродах. Причем, распад должен произойти в течение времени жизни экситонов, дабы избежать рекомбинации.

Стандартная толщина активного слоя в органических солнечных батареях 100 – 300 нм, поскольку она обеспечивает практически полное поглощение излучения в спектральной полосе вблизи длины волны 530 нм. Однако производительность такой солнечной ячейки ограничена из-за малой длины диффузии экситонов в органическом активном слое и малой подвижности свободных зарядов (электронов и дырок). В результате на электродах скапливается очень мало заряда, т.е. полная эффективность преобразования оказывается крайне низкой.

Частично скомпенсировать эти негативные факторы позволяет уменьшение толщины активного слоя до 50 нм, что, правда, снижает эффективность поглощения света, т.е. не дает возможность значительно повысить общую эффективность.

Как показала последняя работа ученых из College of Optical Sciences (OSC) University of Arizona (США), одно из возможных решений, позволяющих увеличить поглощение света в сверхтонких активных слоях, – применение металлических наночастиц.

Из-за большого электромагнитного поля в непосредственной близости таких наночастиц увеличивается вероятность диссоциации экситонов на электрон и дырку проводимости. Кроме того, увеличивается доля поглощенных фотонов за счет рассеяния. Поскольку оптические свойства наночастиц в значительной степени зависят от их размера, существует возможность «настроить» максимум поглощения такой солнечной ячейки в различные области электромагнитного спектра.

В качестве примера практической реализации своей идеи, ученые создали органическую солнечную ячейку, содержащую наночастицы золота диаметром 50 нм. Эффективность преобразования энергии в этих ячейках оценивалась одновременно по трем факторам: доли поглощения фотонов, эффективности диссоциации экситонов и эффективности сбора заряда на электродах.

Включение металлических наночастиц позволило значительно повысить первый и второй показатель. Как считают ученые, третий показатель может быть увеличен за счет дальнейшего уменьшения толщины активного слоя.

В общей сложности, с помощью золотых наночастиц ученым удалось добиться повышения эффективности преобразования энергии на 65% (при той же толщине активного слоя). Если сравнить созданную учеными солнечную батарею с активным слоем толщиной 50 нм (содержащим наночастицы) с условно «стандартной» органической батареей с активным слоем толщиной 120 нм, то новое устройство позволило повысить эффективность до 30%.

Научная группа планирует продолжить исследования в этом направлении с целью еще больше увеличить эффективность преобразования солнечной энергии в органических устройствах.