В Кембридже создали новый тип органической солнечной батареи

Почему новый органический солнечный элемент ломает правила: честный разбор

Кембриджские ученые показали материал, который ведет себя как неорганический полупроводник, оставаясь органическим. Речь о молекуле P3TTM. Она генерирует электричество без привычной пары «донор-акцептор». В лаборатории эффективность сбора заряда достигла 100%. Это не опечатка. Но общий КПД пока не назвали. И тут кроется главная интрига.

Чем отличается от привычных органик-солнечных батарей

Обычные органические фотоэлементы — это бутерброд из двух материалов. Один отдает электроны, другой их принимает. Граница раздела между ними — зона, где рождается ток. Именно там чаще всего теряется энергия. P3TTM работает иначе. Внутри его молекул есть неспаренные электроны. При плотной упаковке они выстраиваются в шахматном порядке. Когда фотон попадает на пленку, электрон просто перескакивает к соседней молекуле. Никакого второго компонента не нужно. Механизм раньше наблюдали только в неорганике, например в кремнии.

Цифры, которые стоит запомнить

Квантовая эффективность генерации заряда — 40%. Это сколько фотонов превратились в электрон-дырочные пары. Для однокомпонентного органического материала — рекорд. Эффективность сбора заряда — практически 100%. То есть каждый рожденный заряд доходит до электродов. Сравните с аморфным кремнием, где потери на рекомбинацию составляют 15–30%.

Самое важное: этот материал доказывает, что органическая фотовольтаика не обязана копировать архитектуру кремния. Можно получить неорганическое поведение, оставаясь легким и гибким.

Как это работает — пошагово

Шаг 1. Свет падает на тонкую пленку из P3TTM. Шаг 2. Молекулы упакованы так плотно, что их неспаренные электроны выстраиваются в чередующийся ряд. Шаг 3. Фотон выбивает электрон — он перескакивает к соседней молекуле. Шаг 4. На исходной молекуле остается дырка. Получается пара зарядов, которая не успевает рекомбинировать. Шаг 5. Внутреннее поле материала растаскивает электрон и дырку к разным электродам — возникает ток.

Весь процесс происходит в одном слое. Никакой экситонной диффузии к границе раздела, которая обычно ограничивает эффективность.

Честное мнение автора

Недавно я заметил, что большинство новостей о «прорывах» в солнечной энергетике умирают через год. Они оказываются слишком дорогими или нестабильными. Здесь другая история. Авторы работы честно не приводят общий КПД. Значит, он пока низкий — вероятно, несколько процентов. Но сам принцип — смена парадигмы. Если удастся поднять КПД хотя бы до 10–12%, это даст гибкие, дешевые панели, которые печатают рулонным методом. И не нужны два слоя с точным совмещением.

Потенциальное снижение стоимости производства — не маркетинг, а следствие упрощения конструкции. Один материал вместо двух. Меньше дефектов на границе раздела. Меньше требований к чистоте.

Резюме от автора

P3TTM — не готовый коммерческий продукт. Это доказательство концепции, которая может перевернуть органическую фотовольтаику. 100% сбор заряда в однокомпонентном материале — это уровень неорганики. Если исследователи решат проблему общего КПД и долговечности, мы получим солнечные батареи, которые можно клеить на окна, рюкзаки и фасады. Следите за этим направлением — оно горячее.