Прорыв в органических полупроводниках может дать дешевую солнечную энергию

В исследовании, которое может дать дешевую повсеместную солнечную энергию, ученые из Мичиганского университета нашли способ заставить электроны передвигаться намного дальше, чем это считалось возможно ранее в материалах, часто используемых для органических солнечных элементов и других органических полупроводников.

«В течение многих лет люди относились к плохой проводимости органических веществ как к неизбежному факту, но последние данные показывают, что это не всегда так», — сказал Стивен Форрест, профессор технических наук, который возглавлял исследование.

В отличие от неорганических солнечных элементов, широко используемых сегодня, органические вещества могут быть изготовлены из недорогих, гибких материалов на основе углерода, таких как пластик. Производители могут делать их в различных цветах и ​​конфигурациях, чтобы ламинировать ненавязчиво на почти любую поверхность.

Однако, как известно, плохая проводимость органических веществ замедлила исследования. Форрест полагает, что новое открытие может изменить игру. Полученные результаты подробно описаны в исследовании, опубликованном 17 января в Nature.

Команда показала, что тонкий слой молекул фуллеренов — любопытные круглые молекулы углерода, также называемые Buckyballs, — позволяет электронам перемещаться на расстояние до нескольких сантиметров от точки, где их снимают фотоны. Это очень резкое увеличение; в современных органических материалах электроны могут перемещаться только на несколько сотен нанометров или меньше.

Электроны, движущиеся от одного атома к другому, составляют электрический ток в солнечном элементе или электронном компоненте. Такие материалы, как кремний, используемые в современных неорганических солнечных элементах и ​​других полупроводниках, имеют тесно связанные атомные сети, которые облегчают движение электронов по материалу.

Но органические материалы имеют гораздо более слабые связи между отдельными молекулами, которые могут захватывать электроны. Это уже давно ахиллесова пята органических веществ, но новое открытие показывает, что можно было бы настроить их проводящие свойства для конкретных применений.

Способность электрона двигаться более свободно в органических полупроводниках может иметь далеко идущие последствия. Например, поверхность современных органических солнечных элементов должна быть покрыта проводящим электродом, который собирает электроны в точке, где они первоначально генерируются. Но свободно движущиеся электроны могут быть собраны далеко от места их возникновения. Это может позволить производителям сжать проводящий электрод в невидимую сетку, прокладывая путь для прозрачных ячеек, которые могут использоваться на окнах и на других поверхностях.

«Это открытие, по сути, дает нам новые возможности для разработки органических солнечных элементов и других органических полупроводниковых приборов», — сказал Куинн Берлингейм, научный сотрудник по электротехнике и информатике U-M и автор исследования. «Возможность дальней транспортировки электронов открывает множество новых возможностей в архитектуре устройств».

Берлингейм говорит, что первоначальное открытие этого феномена стало чем-то вроде неожиданной удачи, когда команда экспериментировала с органической архитектурой солнечных элементов в надежде повысить эффективность. Используя общую технику, называемую вакуумным термическим испарением, они расположили в тонкой пленке фуллерены С60, каждый из которых состоит из 60 атомов углерода, поверх энергетического слоя органической ячейки, где фотоны от солнечного света выбивают электроны из их связанных молекул. Наверх фуллеренов они поместили еще один слой, чтобы предотвратить утечку электронов.

Ученые обнаружили то, чего они никогда раньше не видели в органичных электронах, которые беспрепятственно распространялись через материал, даже вне энергетической области клетки. Через месяцы экспериментов они определили, что слой фуллеренов образует так называемую энергетическую скважину — область с низкой энергией, которая препятствует рекомбинации отрицательно заряженных электронов с положительными зарядами, оставленными в энергетическом слое.

«Вы можете представить себе энергетический колодец, в который входят электроны, и не могут вернуться», — сказал Калеб Коборн, выпускник-исследователь в Отделе физики U-M и автор исследования. «Поэтому они продолжают свободно перемещаться в слое фуллеренов вместо рекомбинации в энергоемком слое, как это обычно бывает. Это похоже на массивную антенну, которая может собирать заряд электрона из любой точки устройства».

Форрест предупреждает, что широкое распространение открытия в таких материалах, как солнечные элементы, является теоретическим на данном этапе. Но он в восторге от больших последствий открытия для понимания и использования свойств органических полупроводников.

«Я считаю, что доступная солнечная энергия является ключом к питанию нашей постоянно нагревающейся и все более переполненной планеты, а это означает, что солнечные элементы могут быть использованы для повседневных объектов, таких как фасады зданий и окна», — сказал Форрест. «Подобная технология может помочь нам производить энергию таким образом, что это будет недорого и почти незаметно».

Исследование озаглавлено «Диффузия электронов в сантиметровом масштабе в фотоактивных органических гетероструктурах».