Масштабируемые полупрозрачные органические солнечные элементы с высокой допускаемой толщиной пленки для встраиваемых в здания фотоэлектрических систем

Окна, которые вырабатывают электроэнергию

Представьте, что стекла в офисных башнях или домашних окнах могут работать как тихие, незаметные электростанции — пропуская дневной свет, одновременно вырабатывая электричество и даже помогая удерживать помещения прохладнее. В этом исследовании показано, как создавать такие «энергетические окна» с использованием органических солнечных элементов, которые одновременно прозрачны и эффективны, и которые можно производить в размерах и с толщинами, пригодными для реальных зданий.

Почему сложно сделать прозрачные солнечные элементы

Обычные солнечные панели непрозрачны, потому что они поглощают как можно больше света для максимизации выработки. Полупрозрачные органические солнечные элементы вынуждены соблюдать тонкий баланс: они должны пропускать достаточно видимого света, чтобы оставаться похожими на окна, но при этом захватывать достаточно энергии, чтобы производить полезную электроэнергию. До сих пор это заставляло исследователей использовать чрезвычайно тонкие активные слои — менее 80 нанометров — изготовляемые с применением токсичных галогенсодержащих растворителей в строго контролируемых лабораторных условиях. Эти хрупкие ультратонкие пленки работают на крошечных тестовых элементах, но их очень трудно воспроизвести на больших площадях. При масштабировании до модулей размером со окно их характеристики обычно катастрофически падают: в окончательной панели выживает лишь чуть более половины эффективности, измеренной на уровне ячейки.

Новый рецепт для толстых прозрачных энергетических окон

Команда авторов решила проблему с двух сторон одновременно. Во‑первых, они применили стратегию «разбавления донора» в светопоглощающем слое, уменьшая долю донорного материала, который поглощает большую часть видимого света, и увеличивая долю акцептора — более прозрачного в видимом диапазоне, но при этом активного в ближнем инфракрасном. Во‑вторых, вместо напыления методом spin-coating на крошечных образцах использовали slot-die покрытие — печатоподобный метод, способный покрывать большие поверхности — и применили безопасный, негалогенсодержащий растворитель в обычной атмосфере. Используя конкретную пару донор–акцептор PM6:Qx-p-4Cl, они настроили соотношение донор:акцептор 1:3 и показали, что даже относительно толстые пленки — порядка 120–300 нанометров — могут оставаться полупрозрачными и при этом демонстрировать хорошую электрическую производительность. На устройствах площадью 1 см² они достигли эффективной утилизации света выше 4% для тонких пленок и около 3% для пленок более чем в три раза толще типичных конструкций, сохраняя среднюю видимую прозрачность примерно в пределах одной трети — одной половины.

Почему микроструктура обеспечивает работоспособность

Чтобы понять, почему эти более толстые разбавленные пленки работают так хорошо, исследователи изучили их внутреннюю структуру и процесс формирования при сушке. При традиционном spin-coating с высоким содержанием акцептора молекулы акцептора слипаются в большие жесткие области, теряя хороший контакт с донором и создавая узкие места для переноса заряда. Напротив, когда ту же смесь наносят методом slot-die на тёплую подложку, молекулы организуются ещё в жидком состоянии. Это приводит к тонко переплетённой сети узких, волокнообразных доменов, которые сохраняют схожие размеры даже при сильном разбавлении донора. Измерения движения возбуждённых состояний и разделения на заряды показывают, что эта сеть сохраняет быстрые генерацию и транспорт зарядов практически независимо от соотношения компонентов. Важный момент — типичное расстояние, которое может пройти возбуждение, немного больше ширины этих волокон, поэтому большая часть поглощённой энергии достигает интерфейса и превращается в полезный заряд.

От лабораторных образцов к реалистичным оконным модулям

Поскольку структура активного слоя остаётся устойчивой даже при большой толщине, характеристики маленьких тестовых ячеек необычно хорошо переносятся на большие модули. Команда собрала полупрозрачный модуль площадью 100 см², состоящий из 23 соединённых субячеек, и добилась более 10% коэффициента преобразования мощности при примерно одной трети пропускания видимого света. Эффективность этого полноразмерного модуля сохранила примерно 85% эффективности, измеренной на одиночных устройствах — уровень, ранее наблюдавшийся только для непрозрачных органических модулей. Затем они интегрировали шесть таких модулей в «окно» площадью 600 см² в масштабной модели дома, где окно одновременно питало небольшой дисплей, заряжало литий‑ионную батарею и блокировало большую часть ближнего инфракрасного тепла, значительно замедляя рост внутренней температуры под имитированным солнечным светом.

Что это значит для обычных зданий

Для неспециалистов главное сообщение состоит в том, что теперь возможно проектировать полупрозрачные органические солнечные покрытия, которые являются толстыми, технологически прощающими и масштабируемыми до размеров оконных модулей без значительной потери эффективности. Тщательно подбирая состав материалов и способ печати и сушки пленок, авторы создали стабильную волокнистую внутреннюю сеть, которая эффективно работает даже когда слой уже не ультратонкий. В результате большие полупрозрачные панели могут выглядеть и функционировать как настоящие окна, одновременно генерируя значимую энергию и помогая управлять тепловым режимом. Это приближает перспективу зданий, фасады которых из стекла регулярно снабжают электричеством, накапливают энергию и повышают комфорт — всё это без жертвы вида или дневного света.

Цитирование: Wang, T., Fang, J., Zhang, H. et al. Scalable semitransparent organic solar cells with robust film thickness tolerance for building-integrated photovoltaics. Nat Commun 17, 2916 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69537-3

Ключевые слова: полупрозрачные солнечные элементы, встраиваемая в здания фотоэлектрика, органическая фотоэлектрика, солнечные окна, -slot-die покрытие