אינטראקציות על‑מולקולריות בין שרשרות משפרות תאים סולאריים אורגניים עד כמעט 21% יעילות

מדוע הפריצה הסולארית הזו חשובה

לוחות סולאריים העשויים פלסטיק במקום סיליקון קשיח יכולים להיות קלים, גמישים ואף שקופים — אידיאליים להזנת מכשירים, חלונות ומשטחים מעוקלים. אך תאים סולאריים אורגניים נאבקו להשיג את היעילות של הלוחות המובילים כיום כי חלק מהאנרגיה שהם סופגים דולפת כעידון בחום. המחקר הזה מראה כיצד עיצוב מדוקדק של שרשרות הצד הקטנות על מולקולות אורגניות יכול לרסן את איבוד האנרגיה הנסתר הזה ולדחוף תאים גמישים לכיוון יעילות של כמעט 21%, התקרבות לטכנולוגיות מסורתיות יותר.

יצירת חומרים פלסטיים סולאריים טובים יותר

תאים סולאריים אורגניים מבוססים על תערובות של מולקולות פחמניות הסופגות אור ומפרידות מטענים. המחברים התמקדו במשפחת מולקולות "קולטות" (acceptors) שמשתלבות עם פולימר מניע בשם D18. בעיצובים סטנדרטיים, לקולטות אלה יש שרשרות צד רפויות שמקלות על ההתמוססות והעיבוד אך גם מאפשרות להן לרעוד ולנוע. התנועות הללו מתקשרות למטענים הנעים ומעודדות איבוד אנרגיה כחום. הצוות תיכנן קולטן חדש בשם S‑Cb, ששרשראות הצד שלו כוללות טבעת קטנה ומעוותת של ארבעת פחמנים הנקראת ציקלובוטאן. הטבעת הזו יחסית קשיחה ושטוחה, ולכן היא מהדקת את המבנה ומעבירה באופן עדין את אריזת החומרים בסרט.

השקטת אנרגיה מבוזבזת בתוך השכבה

כדי לבדוק אם העיצוב הקשיח באמת מועיל, החוקרים השוו פליטת ואספקת אור של S‑Cb מול קולטן מתקדם בשם L8‑BO. מדידות במצב מסיסות ובסרטים דקים הראו ש‑S‑Cb מאבד מעט פחות אנרגיה כאשר מצבי מעורר מרפים, והספקטרום הפליטה שלו צר יותר — סימנים לכך שפחות מסלולים רטטיים זמינים להטלת אנרגיה. טמפרטורת מעבר הזכוכית של S‑Cb גבוהה יותר, מה שמצביע על חומר קשיח יותר. חקרי קרני איקס גילו ש‑S‑Cb יוצר שכבות מסודרות יותר, וכרמיטריה הראתה נטייה חזקה יותר לגבישיות. יחד, הבדיקות האלה מעידות שהטבעת הציקלובוטילית מהדקת ומסדרת את החומר, מה שמחליש את הקשר הלא‑רצוי בין אלקטרונים לרעידות מולקולריות.

כאשר מולקולות נאחזות זו בזו

ההתנהגות המובהקת ביותר הופיעה כאשר S‑Cb נערבב עם L8‑BO במכשיר טרנרי שכלל גם את פולימר D18. סימולציות ממוחשבות וניתוח גבישי הראו שכאשר S‑Cb ו‑L8‑BO קיימים בכמויות שוות, שרשראות הצד השונות שלהם יכולות להינעל זו על זו בעמדה של "קלמפינג". טבעת הציקלובוטיל כמעט מישורית של S‑Cb נכנסת לתוך הזרועות המפוצלות של שרשראות הצד של L8‑BO, ומוחזקת בעודה על ידי מגעים חלשים רבים המבוססים על מימן. אחיזה על‑מולקולרית זו מושכת את המולקולות למצב דחוס באופן חזק, פאזה קולטת אחידה בדומה לסגסוגת. במצב זה החלל הפנוי בסרט מצטמצם, התנועתיות המולקולרית מוגבלת, וחישובים מראים שהארגון הרטטי והמשיכה בין אלקטרונים לחורים שניהם מצטמצמים — מה שמסייע למטענים להיפרד ולהיסע במקום להתאחד מחדש.

הפיכת המבנה לביצועים גבוהים יותר

תאים שנבנו רק עם S‑Cb כבר היו בעלי ביצועים טובים, והגיעו לכמעט 19.6% יעילות המרת אנרגיה, בדומה לתאים המבוססים רק על L8‑BO. כאשר שני הקולטנים תערבבו עם D18, הביצועים תלוּים בחוזקה ביחס התערובת. בתערובת 1:1 של S‑Cb ו‑L8‑BO, שבה אפקט ההצרה חזק במיוחד, התאים הגיעו ליעילות של 20.93%, עם ערך מאושר של 20.74%. בדיקות אופטי‑אלקטריות מפורטות הראו שבנקודת איזון זו המכשירים משלבים ספיגת אור חזקה, הובלת מטענים מאוזנת, התגבשות מחודשת איטית יותר והפסדי אנרגיה לא‑קרינתיים קטנים יותר. מיקרוסקופיה בננו‑סקאלית אישרה רשת דקיקה משולבת של אזורי תורם וקולטן עם גדלי דומיינים מותאמים היטב, המקדמים גם פירוק אקסיטונים וגם חילוץ מטענים.

מה משמעות הדבר ללוחות סולאריים עתידיים

בעבור קהל שאינו מומחה, המסר המרכזי הוא ששינויים זעירים בשרשראות הצד של מולקולות אורגניות יכולים להשפיע רבות על תנועת המטענים בתא סולארי. על‑ידי הוספת טבעת קשיחה קטנה, החוקרים יצרו מולקולות שלא רק רועדות פחות בעצמן אלא גם מאחיזות את שכנותיהן לרשת מסודרת, חותכות את אובדן החום ומסייעות למטענים לברוח. אסטרטגיית "הצמדה מולקולרית" זו הניפה תאים אורגניים גמישים לכמעט 21% יעילות, ומהווה נתיב עיצוב מעשי לעבר לוחות דקים וקלי משקל שמתקרבים לביצועי מכשירי הסיליקון הטובים ביותר של היום תוך הצעת גמישות רבה יותר במיקומי השימוש וביישומים.

ציטוט: Gao, W., Hai, Y., Zeng, J. et al. Interchain supramolecular interactions drive nearly 21% efficiency organic solar cells. Nat Commun 17, 4590 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71199-0

מילות מפתח: תאים סולאריים אורגניים, שרשרות צד ציקלובוטיל, אינטראקציות על‑מולקולריות, הפחתת איבוד אנרגיה, תערובות פוטוולטאיות טרנריות