Обработанный аллилроданином полностью маломолекулярный органический солнечный элемент достиг прорывной эффективности 18,43%

Более разумные солнечные элементы для повседневного использования

Солнечные панели появляются на крышах, рюкзаках и даже окнах — но многие из них всё ещё тяжёлые, жёсткие и дорогостоящие в производстве. В этой работе рассматривается другой вид солнечной технологии, построенный из крошечных органических молекул, которые можно печатать, как газетную краску, на тонкие гибкие подложки. За счёт тщательной настройки того, как эти молекулы организуются при сушке, исследователи доводят перспективный тип органического солнечного элемента до рекордной эффективности, приближая сверхлёгкую, сгибающуюся солнечную энергетику к практической реальности.

Почему трудно довести до совершенства гибкие солнечные панели

В отличие от кремниевых панелей на крышах, органические солнечные элементы используют углеродсодержащие молекулы, растворённые в жидкости и нанесённые тонкой плёнкой. Полностью маломолекулярные варианты предлагают большие преимущества для массового производства: их структура хорошо определена, их легко очищать, и они ведут себя предсказуемо от партии к партии. Но есть загвоздка. Эти небольшие молекулы склонны к сильной кристаллинизации и разделению на крупные «острова» внутри плёнки. Поскольку созданные светом заряды могут перемещаться лишь на короткое расстояние до их гибели, чрезмерно большие острова означают, что многие заряды так и не доходят до электродов, что ограничивает ток и общую эффективность.

На сцену выходит крошечная вспомогательная молекула

Команда решает эту проблему, добавив ничтожно малое количество вспомогательного соединения под названием 3-аллилроданин в смесь донорной молекулы (MPhS-C2) и акцепторной молекулы (N3). Эта добавка является «летучей твердой добавкой»: она временно входит в состав смеси при нанесении, а затем полностью испаряется в ходе краткого нагревания, не оставляя следов в готовом устройстве. Хотя её строение напоминает часть донора, детальные расчёты и эксперименты ядерного магнитного резонанса показывают, что на самом деле она предпочитает взаимодействовать сильнее с акцептором. Эти избирательные притяжения позволяют вспомогательной молекуле направлять то, как оба компонента располагаются по мере высыхания влажной плёнки.

Управляя плёнкой во время сушки

С помощью временно разрешённых оптических измерений, рентгеновского рассеяния, атомно-силовой микроскопии и электронного микроскопирования исследователи наблюдают формирование плёнки в реальном времени. Обычно донор кристаллизуется первым и вытесняет акцептор в крупные грубые области. В присутствии добавки она тонко меняет временные параметры: сокращает окно, в котором донор может чрезмерно разрастаться, задерживает и смягчает кристаллизацию акцептора и улучшает распределение обоих материалов по контактному слою. В результате получается более ровная плёнка с гораздо меньшими, более равномерно распределёнными доменами и более однородной вертикальной структурой сверху донизу — тонко переплетённая сеть вместо комков и зазоров.

Более долгоживущие заряды и большая выработка энергии

Эта уточнённая внутренняя структура даёт очевидные электрические преимущества. Измерения поглощения света по глубине плёнки показывают, что экситоны — связанные пары зарядов, создаваемые светом — формируются более равномерно и ближе к электродам, поэтому им нужно пройти меньшее расстояние до разделения. Испытания тока показывают более высокие и сбалансированные подвижности электронов и дырок, меньше ловушек, где заряды застревают, и меньше рекомбинации, где они уничтожают друг друга. Ультрабыстрая лазерная спектроскопия подтверждает, что заряды разделяются быстрее и живут дольше до рекомбинации. В совокупности эти эффекты повышают ток и, особенно, коэффициент заполнения, что приводит к коэффициенту преобразования мощности 18,43% — независимо сертифицированному на уровне 18,16% — наивысшему показателю для этого класса двухкомпонентных маломолекулярных органических солнечных элементов.

Что это означает для будущих солнечных плёнок

Для неспециалиста ключевая мысль такова: тщательно подобранная временная добавка может выступать в роли «мастера-строителя» для активного слоя в гибком солнечном элементе. 3-аллилроданин не остаётся в устройстве, но пока он присутствует, он направляет, как строительные блоки встают на свои места, создавая более тонкую внутреннюю текстуру, которая помогает световым зарядам выбраться и быть собранными в виде электричества. Исследование также опровергает простое предположение, что добавка действует главным образом с материалом, на который она больше всего похожа; вместо этого её эффективность зависит от тонкого баланса притяжений ко всем компонентам. Это проектное открытие должно помочь исследователям создавать ещё более эффективные добавки и продвигать печатные, лёгкие органические солнечные панели к тем показателям эффективности, которые требуются для повседневного энергоснабжения.

Цитирование: Cao, D., Zhong, L., Sun, Z. et al. Allylrhodanine-processed all-small-molecule organic solar cell achieves an 18.43% efficiency breakthrough. Nat Commun 17, 2105 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68924-0

Ключевые слова: органические солнечные элементы, маломолекулярная фотоэлектроника, контроль морфологии, твердые добавки, гибкие солнечные панели