Международная группа исследователей выяснила, почему органические солнечные элементы упираются в компромисс между напряжением и эффективностью, и предложила способ его ослабить. Речь идет о поведении экситонов, связанных пар зарядов, от которых зависит, сможет ли материал превратить поглощенный свет в электрический ток. Авторы работы считают, что управление временем жизни таких состояний позволит подтянуть КПД органических панелей к уровню, который до сих пор оставался для них труднодостижимым.
Органические фотоэлементы давно считают кандидатом на более дешевую и массовую солнечную генерацию. Их можно выпускать на гибких подложках, производить при более низких температурах и из материалов, которые проще масштабировать, чем классический кремний. Проблема в том, что при попытке повысить напряжение у таких элементов обычно падает общий КПД, а при росте КПД снижается напряжение на выходе.
Исследователи из Швеции, Германии и Института Пауля Друде связали это ограничение с тем, как возникают и распадаются экситоны. После поглощения света в органическом материале сначала формируется именно такое связанное состояние, и лишь затем заряды должны разделиться, чтобы появился полезный ток. Если на этом этапе теряется слишком много энергии, элемент выигрывает по одному параметру и проигрывает по другому.
По данным авторов, критичным оказался баланс между временем жизни экситонов и энергетическими потерями при их разделении. Чем дольше такие состояния сохраняются и чем меньше энергии уходит в момент распада, тем слабее становится конфликт между напряжением и эффективностью. Для проверки гипотезы команда синтезировала новые материалы и собрала экспериментальные элементы, которые показали и высокое напряжение, и хороший КПД без привычной для органики потери одного из параметров.
Для отрасли это важный результат по вполне прикладной причине. Лабораторные образцы органических солнечных элементов в последние годы уже приближались к рубежу 20%, но кремниевые ячейки все еще заметно впереди: серийные модули обычно работают в диапазоне 22—24%, а рекордные кремниевые элементы в лабораториях превышают 26%. У органики есть другой набор преимуществ, прежде всего гибкость, малый вес и возможность печатного производства, поэтому ее конкуренция с кремнием идет не только в поле абсолютного КПД.
Следующий барьер для технологии связан уже не столько с физикой разделения зарядов, сколько со сроком службы. Даже если новые материалы действительно помогут стабильно выйти за 20%, производителям придется доказать долговечность таких панелей в реальных условиях. По этой причине коммерческая гонка в солнечной энергетике сейчас идет сразу по нескольким направлениям: кремний улучшает цену за ватт, перовскиты наращивают эффективность, а органические элементы пытаются занять ниши гибкой и интегрируемой электроники.