Indah HR/Shutterstock/FOTODOM

Японские ученые из Осака Столичного университета разработали молекулу, которая сама формирует p/n соединения — ключевые структуры для преобразования солнечного света в электричество. Такие соединения обычно создаются в солнечных батареях, и от их качества зависит, насколько эффективно устройство собирает энергию.

Органические тонкопленочные солнечные элементы, сделанные из таких молекул, легче, гибче и дешевле обычных кремниевых панелей. Их можно печатать чернилами на окнах, одежде или других поверхностях. Пока их КПД ниже, чем у классических кремниевых батарей, но преимущества в легкости и гибкости делают их перспективными для будущего.

Как работает молекула

«Для эффективной работы солнечного элемента p/n переход должен быстро разделять и переносить электроны, которые возникают при попадании света», — объясняет Такеши Маэда, доцент Высшей инженерной школы Осака Столичного университета.

Раньше для этого смешивали две разные молекулы — p- и n-типа. Но даже маленькое изменение температуры или растворителя могло нарушить структуру и снизить эффективность. Чтобы обойти эту проблему, команда объединила оба компонента в одну молекулу. Теперь p/n переходы формируются сами по себе — процесс похож на то, как пазл собирается сам, если все детали идеально подходят.

Молекула TISQ и ее поведение

Фото: Osaka Metropolitan University. Схема показывает, что молекула TISQ сама собирается в разные структуры в зависимости от растворителя: В некоторых растворителях она образует маленькие шарики (тип J) с быстрым движением электронов. В других — длинные волокна (тип H), где электроны движутся медленнее. То есть одна молекула может создавать разные наноструктуры с разной проводимостью. 

Эта новая молекула получила название TISQ. Она содержит сегмент p-типа (донор) и сегмент n-типа (акцептор). Благодаря химическим связям молекулы сами образуют наноструктуры — микроскопические «строительные блоки» для солнечного элемента.

В зависимости от растворителя TISQ собирается по-разному. В полярных растворах она образует маленькие «шарики» типа J, в неполярных — длинные «волокна» типа H. Шарики J почти вдвое эффективнее передают электроны, чем волокна H, когда на них попадает свет. Представьте, что это как дороги: широкие прямые дороги (J) быстрее доставляют машины, а узкие извилистые (H) тормозят поток.

Проверка в солнечных элементах

Ученые сделали тонкопленочные солнечные элементы, используя TISQ как единственный фотоактивный материал. Молекулы сами формировали нужные p/n переходы на наномасштабном уровне, показывая, что молекулярная самосборка может заменять сложное производство и создавать работающее устройство.

«Подход "снизу вверх" позволяет нам исследовать, как молекулы сами организуются в электрические структуры. Это важно не только для солнечных батарей, но и для других устройств, например фотодетекторов или систем улавливания света», — говорит Маэда.

Почему это важно

Новая стратегия позволяет создавать более стабильные и предсказуемые солнечные элементы без сложного производства. Эти батареи могут быть интегрированы в необычные поверхности — от одежды до окон — и открыть новые способы использования солнечной энергии.