Американские ученые полагают, что новый вид солнечных батарей на основе органических элементов в сочетании с наночастицами из металла могут послужить отличной альтернативой существующим аналогам на основе кремниевых элементов. Органические материалы значительно удешевляют устройство и делают его более энергоэффективным, если найти пути преодоления некоторых препятствий.
До сегодняшнего дня органические солнечные ячейки в сравнении с кремниевыми аналогами не отличались особой эффективностью. Между тем дешевые способы получения энергии из возобновляемых источников – это основное направление развития фотогальванических устройств с органическими элементами. Несмотря на это, физикам Аризонского Университета все же удалось создать опытный образец солнечной ячейки на основе органических материалов. Разработка позволила уменьшить толщину активного слоя и повысить эффективность преобразования солнечной энергии на 30%.
Изобретение представляет собой ячейку с органическими элементами, в состав которых внедрены золотые наночастицы с размером 50 нм. Степень эффективности опытных образцов оценивалась сразу по нескольким параметрам – доли поглощения фотонов, эффективности диссоциации носителей заряда и степени концентрации заряда на электродах. Наблюдения показали, что включение в активный органический слой золотых наночастиц позволило значительно повысить первые два параметра, отмеченные выше. Увеличить же концентрацию заряда на электродах американские физики предложили путем дальнейших работ по уменьшению толщины активного слоя.
Известно, что фотогальваническое устройство с органическими элементами представляет собой пластинку, имеющую активный слой, который находится между 2 электродами. При освещении фотогальванической системы в активном слое происходит поглощение фотонов – тем самым создаются так называемые пары носителей заряда (экситоны). Для того чтобы ячейки с органическими элементами функционировали эффективно, носители заряда должны распадаться на 2 составляющих – дырку проводимости и электрон. Такой распад должен происходить достаточно быстро, поскольку медленное течение процесса приводит к рекомбинации ввиду гибели экситонов.
Обычно толщина активного слоя в органических солнечных ячейках колеблется от 100 до 300 нм. Такая величина способствует полному поглощению излучения в области, равной длине волны 530 нм. Вместе с этим ячейка обладает существенным недостатком: эффективность солнечной ячейки снижается из-за малой длины диффузии носителей заряда в органических элементах. Такой недостаток приводит к тому, что электроды накапливают слишком низкий заряд. Чтобы повысить эффективность, необходимо уменьшить толщину активного органического слоя до 50 нм, однако здесь встречается новая проблема. Дело в том, что уменьшение толщины снижает эффективность поглощения солнечного излучения, что в целом отрицательно сказывается на общей энергоэффективности устройства.
Преодолеть препятствие решили американские ученые, предложившие включать в состав органического активного слоя металлические наночастицы. Такой подход позволяет увеличить эффективность поглощения света, поскольку в непосредственной близости от наночастиц формируется сильное электромагнитное поле, которое повышает вероятность диссоциации экситонов на электроны и дыры проводимости. Помимо этого эффективность возрастает также за счет увеличения поглощенных фотонов из-за рассеяния. Ввиду того, что оптические свойства металлических наночастиц напрямую зависят от их размеров, то появляется возможность отрегулировать структуру органической солнечной ячейки таким образом, чтобы добиться максимальной степени поглощения света в разных областях электромагнитного спектра.
В дальнейшем ученые продолжат работы по изысканию путей получения наибольшей эффективности преобразования солнечного света в органических ячейках с металлическими наночастицами.
Комментарии: (0)