Городской университет Гонконга достиг эффективности органических солнечных батарей 20,5%

Репортаж от Wedoany，Исследователи Городского университета Гонконга (CityUHK) достигли эффективности преобразования мощности органических солнечных батарей в 20,5%. Ключевым фактором стала новая стратегия рециклинга триплетных экситонов — преобразование этих обычно не излучающих свет возбуждённых состояний, считающихся каналом потерь энергии, обратно в извлекаемые свободные носители заряда, что снижает потери энергии в традиционных органических фотоэлектрических устройствах.

Триплетные экситоны в органических солнечных батареях из-за длительного времени жизни и спинового запрета на переходы исторически ограничивали эффективное образование заряда. Разработанный командой CityUHK механизм позволяет преобразовывать эти захваченные возбуждённые состояния в свободные электроны и дырки, которые могут собираться на электродах, увеличивая выход фототока без снижения напряжения устройства. В настоящее время сертифицированная эффективность органических солнечных батарей превышает 20%, а лабораторные устройства с использованием нефуллереновых акцепторов, контроля морфологии и снижения потерь энергии достигли эффективности более 21%.

Исследователи использовали органические солнечные батареи, интегрирующие маломолекулярный нефуллереновый акцептор (NFA) под названием FTh-4F, принадлежащий к семейству акцепторов с конденсированными кольцами, обладающий сильным поглощением в ближней инфракрасной области, эффективным переносом электронов и низкими потерями энергии. «Вводя этот акцептор в качестве тройного компонента в другие основные органические фотоэлектрические системы, мы восстановили потери, опосредованные триплетами, и повысили эффективность органической фотоэлектрики за счёт максимизации количества извлекаемых фотогенерированных носителей», — пояснила исследовательская группа.

Эксперименты показали, что время жизни свободных носителей заряда значительно превышает время жизни спиновых триплетных экситонов, что указывает на возможность преобразования триплетных экситонов обратно в свободные носители заряда, а не в тепло. Увеличивая количество триплетных экситонов с помощью сенсибилизации, исследователи подтвердили этот путь рециклинга с помощью экспериментов с интерфейсным триплетным состоянием переноса заряда. Кроме того, оптимизация боковых цепей акцептора и делокализация экситонов снизили синглет-триплетный энергетический зазор (ΔEST), что сделало диссоциацию триплетных экситонов более эффективной. Последующие лабораторные эксперименты повысили эффективность преобразования мощности до более чем 21%, однако дальнейшие детали не раскрываются.

Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Nature в статье под названием «Рециклинг спиновых триплетных экситонов в органической фотоэлектрике» (Recycling of spin-triplet excitons in organic photovoltaics). Исследователи заявили: «Это исследование совершенствует научную основу эволюции экситонов/носителей заряда в органических оптоэлектронных устройствах и открывает широкие перспективы для систем, включающих процессы разделения и рекомбинации заряда, что, как ожидается, значительно повысит эффективность использования энергии и будет способствовать переходу к более чистому, эффективному и устойчивому будущему».