Органические солнечные элементы делают на основе углеродных полупроводниковых материалов. Они легче кремниевых аналогов, могут быть гибкими и потенциально дешевле в производстве. Эффективность преобразования света в электричество у таких устройств уже приближается к 20%, но дальнейшему росту мешают потери напряжения.

В органическом элементе материал-донор поглощает свет и создаёт возбуждённые состояния. Затем электрон переходит к материалу-акцептору, образуя состояние переноса заряда (CT-состояние) - связанную пару электрона и дырки. Чтобы элемент давал ток, эта пара должна разделиться на свободные заряды. Энергия CT-состояния влияет на напряжение, которое может выдать элемент, а излучательная рекомбинация с участием таких состояний вносит вклад в потери напряжения.

Группа под руководством профессора Хирохико Фукагавы из Центра передовых наук Университета Тиба (Япония) измерила энергетические уровни разных пар донор - акцептор, чтобы понять, как они связаны с генерацией заряда и потерями напряжения. Работа опубликована онлайн в журнале Advanced Materials 7 октября 2026 года. В состав команды вошли доктор Такахиса Симидзу и доктор Таку Ооно из Научно-исследовательских лабораторий NHK, а также профессор Такудзи Хатакэяма из Киотского университета.

Учёные создали упрощённые органические солнечные элементы с отдельными слоями донора и акцептора. Донор поглощал видимый свет, а акцептор оставался прозрачным для солнечного излучения. Были протестированы пять донорных материалов с разным строением молекул и степенью жёсткости в паре с 15 акцепторными материалами, у которых сродство к электрону (мера способности молекулы принимать электрон) варьировалось от 2,0 до 3,1 эВ (электронвольт - единица энергии, используемая в физике микромира).

Ионизацию и сродство к электрону измеряли в твёрдом состоянии методами ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии и низкоэнергетической обратной фотоэлектронной спектроскопии. Это позволило зафиксировать энергетические уровни в условиях, более близких к реальному солнечному элементу.

Оказалось, что для сохранения фотогенерации важно соотношение между оптической шириной запрещённой зоны донора (разницей энергий, которую свет должен преодолеть для возбуждения электрона) и энергией разделённых зарядов. Когда эти величины сближались, исследователи обнаружили практическую термодинамическую границу генерации фототока. Вблизи неё эффективность преобразования энергии также имела тенденцию к росту. Это указывает на возможность сохранять фототок при меньших потерях напряжения.

Кроме того, более жёсткие молекулы донора были связаны с уменьшением релаксации и разброса энергии CT-состояния. В ряде систем с жёсткими донорами эффективная энергия связи CT-состояния составляла 0,1 эВ или меньше - то есть энергия CT-состояния была близка к энергии разделённых зарядов.

Авторы заключают, что управление энергией CT-состояния через молекулярный дизайн может помочь снизить потери напряжения. Однако эффективная энергия связи CT-состояния зависит и от других факторов: делокализации заряда, упаковки молекул и электростатического окружения на границе донор - акцептор. Это корреляционные наблюдения, которые сами по себе не доказывают причинно-следственную связь.

По словам Фукагавы, если эти принципы удастся внедрить в практические материалы с объёмным гетеропереходом (структура с перемешанными донором и акцептором), они могут помочь создавать элементы, эффективно генерирующие ток с меньшими потерями энергии в виде напряжения. В долгосрочной перспективе такие устройства могут сделать сбор солнечной энергии практичнее в лёгких, гибких и ограниченных по площади применениях, где обычные кремниевые модули использовать сложно.

Источник: Tech Xplore