ICFO (Испания) разработала органическую батарею с серебряным электродом толщиной 7 нм, эффективность 16,94%

Репортаж от Wedoany，Исследователи из Института фотонных наук (ICFO) в Барселоне разработали четырехтерминальный тандемный органический солнечный элемент с эффективностью преобразования мощности 16,94%. Ключевым прорывом стал серебряный электрод толщиной всего 7 нм, что примерно в тысячу раз тоньше человеческого волоса.

Органические солнечные элементы привлекают внимание благодаря низкой стоимости и гибкости изготовления, однако их эффективность преобразования света в электричество отставала от кремниевых аналогов. Достигнутое командой ICFO значение эффективности не только значительно превышает базовый показатель 6,5% для ранее сообщенных четырехтерминальных тандемных элементов того же типа, но и превосходит предыдущий официальный рекорд в 14,2% для всех органических тандемных устройств (включая двухтерминальные конструкции).

Эффективность однопереходных органических солнечных элементов ограничена тем, что они могут поглощать лишь часть солнечного спектра. Фотоны с избыточной энергией теряются в виде тепла (термализационные потери), а фотоны с недостаточной энергией проходят насквозь (трансмиссионные потери). Оба механизма вместе устанавливают верхний предел эффективности отдельного элемента. Тандемная структура решает эту проблему путем stacking двух субэлементов с разной шириной запрещенной зоны, каждый из которых настроен на определенную часть спектра, что позволяет захватывать больше фотонов. Эта схема уже проверена в кремниевых и перовскитных устройствах.

Сложность изготовления двухтерминальных органических тандемных элементов заключается в том, что субэлементы используют общую цепь, и токи должны быть точно согласованы, а соединительный слой должен обладать высокой электрической эффективностью и прозрачностью. Четырехтерминальная конструкция, принятая ICFO, полностью обходит проблему согласования токов. Передний и задний субэлементы имеют независимые электрические соединения, что позволяет исследователям выбирать ширину запрещенной зоны каждого субэлемента исключительно на основе оптимального поглощения света.

Для реализации этого теоретического преимущества исследовательская группа выбрала для переднего элемента фотоактивную смесь PM6:L8-BO, а для заднего — узкозонную смесь PTB7-Th:O6T-4F для поглощения инфракрасных фотонов. Перед изготовлением они определили оптимальную структуру устройства с помощью расчетов, сочетая матричный метод и метод решения обратных задач. Основная сложность изготовления заключалась в верхнем электроде переднего элемента. Традиционные прозрачные серебряные электроды имеют толщину от 9 до 15 нм, но команда ICFO уменьшила ее до 7 нм. Этот 7-нанометровый серебряный электрод интегрирован в фотонный многослойный стек, в котором чередуются оксид вольфрама (WO₃) и фторид лития (LiF). Такая структура обеспечивает высокое пропускание в диапазоне длин волн от 750 до 1000 нм, позволяя инфракрасному свету достигать заднего элемента, одновременно отражая свет в диапазоне 500–700 нм обратно в передний элемент, восстанавливая энергию, которая в противном случае была бы потеряна.

При тестировании под солнечным симулятором в условиях одного солнца и измерении квантовой эффективности устройство достигло эффективности преобразования мощности 16,94%. Первый автор исследования Франсиско Берналь отметил, что создание электрода толщиной всего 7 нм без потерь в переднем прозрачном элементе является важным достижением в области прозрачных элементов, и баланс между прозрачностью и проводимостью при толщине 7 нм не имеет аналогов.

Команда ICFO рассматривает возможность применения этой технологии в фотоэлектрохимических элементах, использующих солнечную энергию для расщепления воды на водород или преобразования углекислого газа в топливо. Исследование проводилось в рамках проекта SOREC2. Координатор исследования профессор Жорди Марторель заявил, что методология, использованная для проектирования и реализации четырехтерминальной тандемной структуры, может быть применена для проектирования новых систем, где правильное распределение света в компонентах имеет решающее значение для производительности конкретного устройства. В настоящее время команда сосредоточена на совершенствовании этой методологии и ее применении в области солнечного топлива, включая преобразование и повышение ценности углекислого газа.