Контроль агрегации и кинетики формирования пленки посредством хлорирования, обеспечивающий высокоэффективные органические солнечные элементы на недорогих линейных сопряжённых полимерах

Почему важны более дешёвые солнечные элементы

Казалось бы, солнечные панели становятся лучше с каждым годом, но многие из самых эффективных конструкций по‑прежнему зависят от сложных и дорогих материалов. В этой работе авторы решают ключевой вопрос: можно ли получить высокоэффективные органические солнечные элементы из более простых и дешёвых пластиков без ущерба для характеристик? Исследование показывает, что при аккуратной настройке того, как молекулы полимера собираются и упорядочиваются во время высыхания тонкой плёнки, можно сделать недорогие материалы, сопоставимые по свойствам с гораздо более сложными, доведя эффективность органических солнечных элементов выше 20%.

Простые материалы — большие амбиции

Органические солнечные элементы используют углеродсодержащие материалы вместо жёстких кремниевых пластин. Они лёгкие, гибкие и могут печататься из раствора, что делает их привлекательными для портативных устройств, фасадов зданий или носимой электроники. Но сложилась несбалансированность: «акцепторные» молекулы прошли быстрый прогресс, тогда как равноправные «донорные» полимеры отставали и часто требовали сложной и дорогой химии. Авторы сосредоточились на более простой группе — линейных сопряжённых полимерах, которые проще синтезировать, но обычно дают меньшую выходную мощность. Их цель — сократить этот разрыв в производительности, не теряя преимуществ по стоимости и производству, присущих этим более простым структурам.

Хлор — ручка для настройки поведения

В основе работы — тонкая модификация: введение атомов хлора вдоль полимерного скелета. Команда синтезировала три родственных полимера, отличающихся только количеством хлорсодержащих звеньев — ни одного, половина или все. Хотя хлор — это небольшая химическая поправка, он действует как мощная ручка управления. Он усиливает притяжение между цепями полимера, способствует их более плоскому расположению и упорядоченному стэкингу и меняет склонность полимера к смешиванию с акцепторным материалом в солнечном элементе. Эти изменения влияют не только на поведение полимеров в растворе, но и на то, как они «замораживаются» в твёрдую плёнку по мере испарения растворителя.

От жидкой смеси к крошечным путям

Когда слой солнечного элемента высыхает, бесчисленные события на нанометровом масштабе определяют его окончательную структуру. Полимеры могут образовывать тонкие, верёвкоподобные пучки в растворе, которые сохраняются в твёрдом состоянии; акцепторы могут кристаллизоваться раньше или позже; две компоненты могут либо тесно смешиваться, либо разделяться на отдельные области. С помощью методов рассеяния, электронной микроскопии и оптических измерений in situ исследователи показывают, что содержание хлора контролирует размер и форму полимерных пучков и характер фазового разделения. Без хлора смесь получается слишком однородной — много интерфейсов для распада светогенерированных экситонов, но недостаточно чистых путей для транспортировки зарядов. При избытке хлора компоненты отталкиваются, дробясь на крупные, более чистые области, которые хорошо проводят заряды внутри себя, но дают слишком мало интерфейсов для эффективного разделения экситонов.

«Золотая середина» полимера

Версия с промежуточным уровнем хлорирования оказывается в золотой середине. В растворе она формирует предагрегированные полимерные пучки оптимального размера. По мере высыхания плёнки эти пучки и молекулы акцептора организуются в мелко переплетённую бицептиконтинуальную сеть: две взаимопроникающие «магистрали» донора и акцептора с множеством узлов между ними. Временные измерения показывают, что экситоны быстро распадаются на таких узлах, заряды перемещаются по непрерывным путям с уравновешенными скоростями для положительных и отрицательных носителей, и меньше зарядов попадает в ловушки или рекомбинирует. Устройства на основе этого оптимизированного полимера достигают коэффициента преобразования мощности 20.42% — впечатляющая величина для столь структурно простого материала — и сохраняют характеристики при непрерывной освещённости.

Что это значит для будущих солнечных технологий

Для неспециалистов главная мысль такова: умелый контроль над тем, как молекулы собираются и затвердевают, позволяет «простым» пластикам вести себя как значительно более сложные материалы. Настраивая хлорирование, авторы показывают, что можно направлять самосборку активного слоя органического солнечного элемента, чтобы получить оптимальную наноструктуру для улавливания света и переноса зарядов. Такой подход сохраняет короткие и недорогие маршруты синтеза, одновременно обеспечивая показатели, близкие к лучшим в этой области, и приближает гибкие, печатаемые солнечные технологии к реальному масштабному использованию.

Цитирование: Yin, B., Chen, Z., Wu, B. et al. Chlorination-controlled aggregation and film-formation kinetics enabling high-efficiency organic solar cells with low-cost linear conjugated polymers. Nat Commun 17, 2340 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69051-6

Ключевые слова: органические солнечные элементы, полимерная фотovoltaика, тонкоплёночные солнечные, самосборка материалов, хлорированные полимеры