Немецко-китайская команда ученых нашла способ сделать органические фотоэлементы более проводящими и, следовательно, более эффективными. Об этом они сообщают в журнале Angewandte Chemie.
При легировании слоя оксида металла между электродом и активным слоем при помощи специально приготовленного органического красителя, им удалось повысить как эффективность, так и стабильность фотоэлементов. Органические фотоэлементы изготавливаются из недорогих материалов, их производство довольно простое. Однако с точки зрения эффективности и стабильности они значительно отстают от фотоэлементов, изготовленных из кремния.
Основу органических фотоэлементов составляет активный слой, который состоит из специально разработанных органических молекул. В этом слое создаются электроны и дырки, положительные аналоги электронов. Носители заряда перемещаются к электродам и образуют электрический ток.
Основной проблемой в построении органических фотоэлементов является точный подбор отдельных материалов. Электроды сами по себе состоят из неорганических материалов, а активный слой из органических. Поэтому во многих органических фотоэлементах разные материалы объединяются за счет промежуточных слоев оксида металла, проводимость которых обычно не является оптимальной.
Команды, возглавляемые Франком Вюртнером из Вюрцбургского университета и Цэнци Се из Южно-Китайского технологического университета в Гуанчжоу, в настоящее время пытаются сделать слой оксида цинка между отрицательным электродом и активным слоем более органичным и проводящим, чтобы уменьшить контактное сопротивление под воздействием солнечного света.
Для образования стабильных комплексов с ионами цинка, содержащимися в слое оксида цинка, ученые приготовили органический краситель. Речь идет о модифицированном красителе под названием гидрокси-PBI (полибензимидазол), который может сам вводить электроны в слой оксида цинка под воздействием солнечного света, увеличивая его проводимость.
Затем ученые собрали органический фотоэлемент. Он состоял из стеклянного электрода из оксида индия и олова, слоя оксида цинка, легированного гидрокси-PBI, активного слоя полимера в качестве донора электронов и одной органической молекулы в качестве акцептора, еще одного промежуточного слоя из оксида металла и алюминиевого электрода в качестве положительного.
Такая структура, так называемая архитектура с инвертированным объемным гетеропереходом, соответствует структуре современного высокоэффективного органического фотоэлемента, эффективность которого в оптимальных условиях достигает 15%.
Легирование промежуточного слоя имело несколько преимуществ. В зависимости от красителя, а ученые испытали несколько красителей с различной структурой, эффективность органического фотоэлемента достигала почти 16%.
Благодаря легированию промежуточный слой из оксида цинка стал более стабильным. Решающим фактором для достижения такого прогресса стала, по мнению авторов, модификация красителя PBI до гидрокси-PBI, поскольку только эта форма может образовывать прочный комплекс с ионами цинка. Только тогда появляется стабильная неорганико-органическая гибридная структура, которая обеспечивает лучший контакт с активным материалом.
Авторы планируют распространить этот метод на другие промежуточные слои, в том числе и на технологию производства органических светодиодов.
Источник: https://www.solarserver.de/solar-magazin/nachrichten/aktuelles/2019/kw34/organische-solarzellen-wissenschaftler-steigern-wirkungsgrad.html