Доля «зеленой» энергетики в мире растет. Как предсказывало Мировое энергетическое агентство, к 2024 году эти технологии будут давать 30% всей энергии на планете. Важной частью экологичной энергетики являются солнечные батареи. При этом инженеры проявляют интерес не только к традиционным солнечным панелям, но и к прозрачным тонкопленочным фотоактивным материалам. Их можно наклеить на обычное окно и получить из него небольшой генератор энергии. Однако для массового внедрения таких технологий надо решить ряд проблем.

«Прозрачные солнечные элементы как идея звучит завораживающе, но у них есть существенный недостаток. Это малая эффективность, — говорит научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Павел Ворошилов. — У обычных тонкопленочных солнечных батарей есть непрозрачный металлический задний контакт, который позволяет дополнительно захватить больше света в структуре. В прозрачных солнечных элементах используют светопропускающий задний электрод. В этом случае часть фотонов неизбежно теряется на пропускание, поэтому и КПД у них намного ниже. Кроме того, есть сложности с изготовлением заднего электрода с необходимыми характеристиками. Это дорого».

Как можно решить проблему?

Многие научные команды пытаются решить эту проблему. Для этого есть несколько способов, например, создавать принципиально новые материалы. Но это долгий и дорогой процесс. Поэтому ведутся работы над улучшением уже существующих технологий. В частности, повысить эффективность солнечных батарей можно с помощью легирования. Это процедура, в ходе которой к материалу добавляют определенные примеси, которые должны улучшить его свойства.

«Для органических солнечных элементов было показано, что легирование транспортных слоев улучшает производительность устройства, — объясняет Павел Ворошилов. — Внутри структуры появляется так называемое встроенное поле, которое позволяет эффективнее разделять заряды, которые мы сгенерировали в активном слое элемента. Кроме того, улучшаются и контактные свойства, то есть больше зарядов достигает электродов».

Однако и здесь есть проблема. Чтобы примесные атомы должным образом «прилипли» к нужному материалу, требуются сложные подходы и дорогое оборудование. Ученые Университета ИТМО предложили способ, который решает эту проблему в органических солнечных элементах.

Как сделать это дешевле?

Совместно с американскими партнерами по мегагранту (группа профессора Анвара Захидова из Техасского университета в Далласе) и коллегами из Москвы петербургские физики развивают концепцию контролируемого легирования углеродных наноматериалов с помощью специальной ионной жидкости. Проще говоря, это жидкость, которая содержит определенные заряженные частицы ― комбинацию катионов и анионов. При внешнем воздействии эти частицы могут проникать сквозь пористую структуру наноматериала, тем самым меняя его свойства и характеристики.

Сотрудники Нового физтеха предложили применить этот способ к органическим солнечным элементам. Для своих опытов они взяли солнечный элемент на основе малых молекул, в конструкции которого заменили непрозрачный металлический электрод многостенными углеродными нанотрубками и существенно увеличили толщину транспортного слоя из фуллерена.

«Это классический вариант органического солнечного элемента, — говорит Павел Ворошилов. — Одно из его преимуществ ― как раз возможность получать прозрачные фотовольтаические панели для умных стекол ― настолько прозрачные, что вы даже не заметите невооруженным взглядом, есть они на стекле или нет. Все дело в том, что видимый свет они почти не поглощают, работая только в ближнем инфракрасном спектре. Но при желании за счет изменения толщины слоя или химического состава можно менять их цвет, делать, к примеру, его приятно голубым или оранжевым. Чтобы не потерять прозрачность структуры, мы используем нанотрубки в качестве токособирающего электрода, которые легко наносятся на поверхность».

Далее ученые легировали покрытие из нанотрубок при помощи ионного затвора. Также обработке подвергся и так называемый транспортный слой, который отвечает за то, чтобы пойманный заряд из активного слоя успешно достиг электрода.

«При этом в данной процедуре мы обошлись без вакуумных камер, работали в воздушной атмосфере. Нам необходимо было просто капнуть ионной жидкостью и подать немного напряжения, чтобы получить необходимые свойства», — добавляет Павел Ворошилов.

Как это сказалось на эффективности?

Изначально нелегированный образец прозрачного солнечного элемента ожидаемо демонстрировал крайне низкий КПД ― нанотрубки не обладали необходимыми характеристиками для данного применения.

В результате легирования ионной жидкостью ученым буквально за минуту удалось поднять эффективность этого же устройства в 50 раз, достигнув стандартных значений для используемого материала активного слоя. И хотя КПД составил менее одного процента после обработки, ученых вдохновил результат ― устройство приобрело улучшенные свойства. Они полагают, что таким же образом можно повысить характеристики других материалов, которые изначально показывают более высокую производительность.

«Конкретные числа будут отличаться, ведь в разных устройствах могут быть задействованы разные принципы, но можно предсказать, что мы сможем поднять эффективность и некоторых других типов батарей подобным образом», — отмечает Павел Ворошилов.

Также он добавляет, что новая технология позволяет увеличить толщину транспортного слоя. Это хорошо, ведь он не только проводит заряженные частицы, но и защищает активный слой от внешней среды. Чем он толще, тем долговечнее сам солнечный элемент. Кроме того, солнечный элемент получает дополнительный функционал ― становится перестраиваемым, что означает возможность динамически изменять, например, свой цвет.

Теперь в планах ученых эксперименты с другими материалами, а также попытки совершенствования самой технологии легирования. В будущем физики надеются отказаться от необходимости подачи напряжения для обработки.

«Следующим этапом мы сделаем так, что нам даже не понадобится затрачивать энергию на настройку материалов, — объясняет Павел Ворошилов. — Будет достаточно положить наше устройство под солнечные лучи и оно само перестроится в нужные свойства для генерации электроэнергии».

Статья: Danila S. Saranin, Abolfazl Mahmoodpoor, Pavel M. Voroshilov, Constantin R. Simovski, and Anvar A. Zakhidov. Ionically Gated Small-Molecule OPV: Interfacial Doping of Charge Collector and Transport Layer. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021/10.1021/acsami.0c17865