Научные сотрудники Института проблем химической физики РАН разработали высокоэффективные и стабильные тонкопленочные солнечные батареи на основе органических полупроводниковых материалов: сопряженных полимеров и производных фуллеренов. Исследования, поддержанные грантом Российского научного фонда, опубликованы в журналах Journal of Materials Chemistry A, Solar Energy Materials and Solar Cells и Advanced Energy Materials.

Органические солнечные батареи могут совершить революцию в мировой энергетике: стоимость энергии, получаемой путем преобразования солнечного света, может стать ниже, чем цена за электроэнергию, производимую путем сжигания ископаемого топлива. На сегодняшний день более 80% энергии во всем мире производится за счет сжигания нефти, газа и угля. Во-первых, это приводит к серьезному загрязнению окружающей среды. Во-вторых, менее чем за два последних столетия человечество исчерпало более половины доступных запасов нефти, которые формировались на протяжении миллионов лет.

Ученые по всему миру стремятся повысить эффективность преобразования солнечного света. Однако при этом очень мало внимания уделяется стабильности разрабатываемых материалов и солнечных батарей на их основе. В рамках проекта РНФ российские ученые занимаются разработкой новых фотоактивных материалов, обладающих в первую очередь высокой фотохимической и термической стабильностью, а также оптимальными свойствами для их эффективного использования в органических солнечных батареях.

«Солнечный свет является перспективным экологически чистым и доступным источником энергии. Годовое энергопотребление всего человечества оценивается примерно в 20 ТВт в год, в то время как Солнце ежегодно дает Земле ~105 ТВт. Поэтому Солнце можно считать практически неисчерпаемым источником энергии для нужд современного общества. Солнечные батареи на основе органических полупроводниковых материалов привлекают значительное внимание исследователей и инновационных предприятий из-за своей легкости, низкой стоимости, гибкости и простоты изготовления с использованием высокоэффективных печатных рулонных технологий», – рассказал руководитель гранта РНФ, кандидат химических наук Павел Трошин.

В своей работе ученые создали новую группу сопряженных полимеров для органических солнечных батарей. Они показали, что использование нерегулярных сополимеров, мономерные звенья в которых располагаются в основной цепи хаотично, позволяет достигать существенно лучших оптоэлектронных характеристик по сравнению с полимерами регулярного строения, где звенья в цепи чередуются в строго определенном порядке. На основе разработанных полимеров были изготовлены органические солнечные батареи с коэффициентом полезного действия более 7%, что является одним из лучших мировых результатов для устройств площадью более 1 см². Кроме того, изготовленные солнечные элементы показали себя стабильными в эксплуатации.

«Другим направлением работы стало создание нового класса электроноакцепторных материалов на основе производных фуллеренов для органических солнечных батарей. Полученные соединения обеспечили стабильную работу органических солнечных батарей в условиях высоких температур (140оС). Это важный шаг на пути к достижению долговременной эксплуатационной стабильности этого типа устройств и их практическому внедрению», – сказал Павел Трошин.

Ученые проводили исследования нескольких типов органических солнечных батарей в реальных полевых условиях в пустыне Негев (Израиль). Это позволило выявить важнейшие факторы, влияющие на стабильность солнечных элементов при их эксплуатации. Оказалось, что скрининг материалов на предмет их фотостабильности и отбор наиболее перспективных структур можно легко делать с использованием метода электронного парамагнитного резонанса.

Работа была выполнена совместно с учеными из Института солнечной энергетики Фраунгофера (Германия), Центра прикладных исследований в области энергетики Баварии и Университета имени Бен-Гуриона (Израиль).