2015: Сверхбыстрая динамика зарядов в органических солнечных фотоэлементах

Физиками МГУ (группа проф. Д.Ю.Паращука) совместно с российскими и зарубежными коллегами исследованы процессы генерации зарядов в органических солнечных фотоэлементах на основе новых материалов.

Органические солнечные батареи (ОСБ) выступают перспективной и стремительно развивающейся альтернативой традиционным кремниевым фотоэлементам, благодаря их уникальным свойствам (гибкость, легкость, полупрозрачность), простоте производства и потенциально низкой цене. Так как органические материалы обладают относительно низкой диэлектрической проницаемостью, при фотовозбуждении в них образуется связанный экситон Френкеля. Для разделения экситонов на свободные заряды в качестве активного слоя в ОСБ используется гетеропереход – смесь донорного и акцепторного веществ с разными положениями энергетических уровней. Таким образом, генерация свободных зарядов в ОСБ – это сложный и многоступенчатый процесс, происходящий на суб-наносекундной временой шкале, и любые потери фотонов и/или зарядов на этих временах приведут в конечном итоге к падению эффективности фотоэлемента. Поэтому, для достижения высоких эффективностей, необходимо глубокое понимание процессов генерации зарядов и их связи с молекулярной архитектурой используемых материалов.

Исследователи физфака МГУ совместно с коллегами из Института Синтетических Полимерных Материалов РАН, Университета Монса и Института Передовых Материалов им. Цернике (Университет Гронингена, Нидерланды) показали, что сверхбыстрая спектроскопия служит уникальным методом для изучения процессов генерации и рекомбинации зарядов в активном слое солнечного фотоэлемента. В качестве модельной системы использовалась смесь ряда новых перспективных низкомолекулярных донорных веществ с фуллереновым акцептором [70]PCBM. Динамика зарядов изучалась методом времяразрешенной спектроскопии фотоиндуцированного поглощения (ФИП) со сверхвысоким временным разрешением (<100 фемтосекунд). Было выяснено, что заряды генерируются как после фотовозбуждения донорной молекулы, так и фуллеренового акцептора. На эффективность этого процесса влияют как химическая структура используемых молекул, так и относительные концентрации донора и акцептора в смеси. Результаты работы, в более широком контексте, показывают потенциал свербыстрой спектроскопии как с фундаментальной точки зрения (изучения процессов динамики зарядов), так и с прикладной (предоставление важной информации для синтеза новых молекул и оптимизации устройств).

Результаты исследований опубликованы в статье O. Kozlov et al., “Ultrafast Charge Generation Pathways in Photovoltaic Blends Based on Novel Star-Shaped Conjugated Molecules,” Adv. Energy Mater. 5(7), 1401657 (2015) и представлены на обложке журнала.