Японские исследователи разработали новую молекулу, которая естественным образом формирует p/n-переходы – структуры, необходимые для преобразования солнечного света в электричество. Ученые из Университета Осаки создали молекулу TISQ, которая может стать ключом к производству более эффективных органических тонкопленочных солнечных элементов.
Проблема эффективности органических солнечных элементов
Органические тонкопленочные солнечные элементы используют углеродные полупроводники вместо традиционного кремния, что делает их легкими, гибкими и экономичными. Их можно включать в чернила для печати на повседневных поверхностях, таких как оконные пленки и даже одежда. Однако их эффективность все еще отстает от традиционных кремниевых солнечных элементов.
«P/n-гетеропереход должен быть точно настроен, чтобы обеспечить быстрое разделение и перенос зарядов, генерируемых при поглощении света», – объяснил Такеши Маэда, доцент Высшей школы инженерии Университета Осаки и ведущий автор исследования.
Новый подход: молекула TISQ
Исследовательская группа разработала молекулу донор-акцептор-донор под названием TISQ, которая объединяет p-сегмент на основе скварейна (донор) и n-сегмент нафталиндиимида (акцептор) в одной молекуле. Связанные амидными группами, которые способствуют водородным связям, молекулы TISQ могут спонтанно самоорганизовываться в различные наноструктуры.
«Мы обнаружили, что TISQ образует либо J-тип, либо H-тип агрегатов в зависимости от растворителя. Оба показывают различные электронные свойства, особенно в том, насколько эффективно они переносят заряды при попадании на них света», – сказал Маэда.
Двойное преимущество в производительности
В зависимости от растворителя TISQ спонтанно организуется в наночастицы J-типа или нановолокна H-типа, каждый из которых имеет различные электронные свойства. В полярных растворителях TISQ образует наночастицы J-типа через процесс кооперативной нуклеации-удлинения. В малополярных растворителях он собирается в волокнистые агрегаты H-типа.
Измерения показали, что агрегаты J-типа демонстрируют почти вдвое больший фототоковый отклик по сравнению с агрегатами H-типа.
Практическое применение
Для проверки применимости в устройствах команда изготовила органические тонкопленочные солнечные элементы, включающие TISQ в качестве однокомпонентного фотоактивного материала. Было показано, что молекула образует наномасштабные p/n-гетеропереходы посредством самоорганизации.
«Этот подход снизу вверх предоставляет платформу для изучения того, как молекулярная самоорганизация может быть преобразована в электронную функциональность, включая органические солнечные элементы и широкий спектр органических оптоэлектронных устройств – от фотодетекторов до систем сбора света», – отметил Маэда.