Межцепные супрамолекулярные взаимодействия повышают КПД органических солнечных элементов до почти 21%

Почему это достижение в солнечной энергетике важно

Панели, сделанные из пластика вместо жёсткого кремния, могут быть лёгкими, гибкими и даже полупрозрачными — идеально подходить для питания гаджетов, окон и изогнутых поверхностей. Но эти органические солнечные элементы изначально отставали по эффективности от лучших существующих панелей, поскольку часть поглощённой ими энергии тихо уходит на тепло. В этом исследовании показано, как продуманная модификация крошечных боковых цепочек в органических молекулах позволяет укротить эти скрытые потери энергии и поднять эффективность гибких солнечных элементов близко к 21%, сопоставимой с более традиционными технологиями.

Создание лучших пластиковых фотоматериалов

Органические солнечные элементы основаны на смесях углеродных молекул, которые поглощают свет и разделяют заряды. Авторы сосредоточились на семействе молекул-«акцепторов», которые работают в паре с донорным полимером D18. В стандартных конструкциях эти акцепторы имеют подвижные боковые цепи, облегчающие растворение и обработку, но также допускающие вибрации и колебания. Эти движения связаны с переносом зарядов и способствуют утечке энергии в виде тепла. Команда спроектировала новый акцептор под названием S-Cb, у которого боковые цепи включают небольшое, напряжённое четырёхуглеродное кольцо — циклобутан. Это кольцо относительно жёсткое и плоское, поэтому оно уплотняет молекулу и тонко меняет упаковку материалов в тонкой плёнке.

Подавление потерь энергии внутри плёнки

Чтобы проверить, действительно ли более жёсткая конструкция помогает, исследователи сравнили световой люминесценции и поглощение S-Cb с передовым акцептором L8-BO. Измерения в растворе и в тонких плёнках показали, что S-Cb теряет немного меньше энергии при релаксации возбужденных состояний, а его спектр излучения уже — оба признака того, что у зарядов доступно меньше вибрационных путей для рассеяния энергии. Температура стеклования у S-Cb выше, что указывает на более жёсткий материал. Рентгеноструктурные исследования также показали, что S-Cb образует более упорядоченные слои, а калориметрия продемонстрировала более выраженную тенденцию к кристализации. В совокупности эти тесты указывают, что циклобутильное кольцо делает материал жёстче и лучше организованным, что ослабляет нежелательную связь между электронами и молекулярными вибрациями.

Когда молекулы «запираются» друг с другом

Наиболее заметное поведение проявилось, когда S-Cb смешивали с L8-BO в тернарном устройстве, которое также содержало полимер D18. Компьютерные моделирования и кристаллографический анализ показали, что при равных долях S-Cb и L8-BO их разные боковые цепи способны «запираться» друг в друга в так называемой захватывающей (clamping) конфигурации. Почти плоское циклобутильное кольцо у S-Cb встраивается в раздвоенные боковые цепи L8-BO и удерживается множеством слабых контактов на основе водорода. Такое межмолекулярное защёлкивание подтягивает молекулы в плотно упакованную, высокооднородную фазу акцептора, напоминающую сплав. В этом состоянии свободный объём в плёнке уменьшается, молекулярное движение ограничивается, и расчёты показывают, что как вибрационная реорганизация, так и притяжение между электронами и дырками снижаются, помогая зарядам разделяться и перемещаться вместо рекомбинации.

Как структура превращается в более высокую производительность

Солнечные элементы, собранные только из S-Cb, уже показали хорошие результаты, достигнув почти 19,6% коэффициента преобразования мощности, что сопоставимо с ячейками, основанными только на L8-BO. При смешивании двух акцепторов с D18 производительность сильно зависела от соотношения компонентов. При соотношении 1:1 S-Cb и L8-BO, где эффект «зажима» наиболее выражен, ячейки достигли 20,93% эффективности, с сертифицированным значением 20,74%. Подробные оптические и электрические измерения показали, что в этой оптимальной точке устройства совмещают сильное поглощение света, сбалансированный перенос зарядов, замедленную рекомбинацию и меньшие безызлучательные потери энергии. Наноскопическая микроскопия подтвердила тонко переплетённую сеть донорных и акцепторных областей с хорошо согласованными размерами доменов, что способствует как расщеплению экситонов, так и извлечению зарядов.

Что это значит для будущих панелей

Для неспециалиста главный вывод таков: крошечные изменения боковых цепочек органических молекул могут иметь непропорционально большое влияние на то, как заряды движутся в солнечном элементе. Добавив небольшое жёсткое кольцо, исследователи создали молекулы, которые не только сами меньше вибрируют, но и «защёлкивают» соседей в упорядоченную сеть, сокращая потери на теплоту и помогая зарядам уйти. Эта стратегия «молекулярного зажима» подняла гибкие органические солнечные элементы почти до 21% эффективности, указывая на практический путь проектирования тонких лёгких панелей, которые по производительности приближаются к лучшим кремниевым устройствам, при этом предлагая значительно большую универсальность в местах и способах применения.

Цитирование: 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

Ключевые слова: органические солнечные элементы, циклобутильные боковые цепи, супрамолекулярные взаимодействия, снижение потерь энергии, тернарные фотоэлектрические смеси