Исследование методом теории функционала плотности малых молекул на основе бензотиадиазола для высокоэффективных органических фотогальванических устройств

Почему важны улучшенные солнечные материалы

Солнечные панели становятся привычным явлением на крышах и в полях, но технология за ними всё ещё быстро развивается. Наиболее эффективные коммерческие модули сегодня изготовлены из жёстких кремниевых пластин: они эффективны, но дорогие, тяжёлые и плохо интегрируются в изогнутые поверхности или лёгкие устройства. В этой работе рассматривается новый класс специально спроектированных органических молекул, которые могут обеспечить более тонкие, дешёвые и гибкие солнечные элементы — потенциально превратив окна, одежду или портативные гаджеты в источники энергии.

От жёстких панелей к гибким плёнкам

Традиционные кремниевые солнечные элементы отлично преобразуют солнечный свет в электричество, но имеют свои компромиссы: они хрупкие, требуют высокотемпературного производства и плохо приспосабливаются к лёгким или сгибаемым изделиям. Органические солнечные элементы, построенные из углеродсодержащих молекул, обещают иной подход. Их можно печатать как краску, настраивать с помощью химии и наносить тонкими плёнками на гибкий пластик. Чтобы раскрыть весь потенциал, им нужны светопоглощающие материалы, которые захватывают большую часть солнечного спектра и перемещают электрические заряды с минимальными потерями. В этом исследовании акцент сделан на проектировании таких материалов на компьютере до их синтеза в лаборатории.

Проектирование новых строительных блоков на экране

Исследователи исходили из известной малой молекулы, использующейся в органической электронике, и упростили её до эталонной структуры, названной REF. Эта опорная молекула действует как скелет, состоящий из центрального «донора», окружённого двумя «акцепторными» сегментами. Команда затем создала восемь новых вариантов (G1–G8), заменив химические группы на концах молекулы. Эти терминальные группы подобны регулируемым ручкам: выбирая более сильные или слабые электронно‑притягивающие концы, учёные могут смещать спектр поглощения и лёгкость переноса заряда по молекуле. С помощью квантово‑механических симуляций (ветвь теории, известная как теория функционала плотности) они предсказали поглощение света каждой молекулой, энергетические уровни и потенциальную эффективность внутри солнечного элемента.

Захват больше света, меньше потерь энергии

Виртуальные эксперименты показали, что все восемь новых разработок превосходят исходный скелет по ключевым показателям. Их энергетические щели — разница между уровнями, где располагаются электроны, и уровнями, где они могут свободно перемещаться — меньше, чем у REF, что означает возможность поглощать более красную и ближнюю инфракрасную часть спектра, остающуюся неиспользованной кремнием и многими старыми органическими материалами. Один из образцов, обозначенный G7, заметно поглощает свет около 803 нанометров, глубоко в красной области, и в моделях достигает почти идеальной эффективности сбора света, близкой к 100%. Несколько молекул также демонстрируют очень низкие «энергии реорганизации» — показатель того, насколько сильно должна деформироваться молекула при движении заряда. Низкие значения здесь означают более быстрый и плавный перенос заряда и меньше потерь в рабочем устройстве.

Баланс напряжения, тока и общей отдачи

Хорошие солнечные материалы должны не только поглощать свет; они также должны генерировать высокое напряжение, давать сильный электрический ток и минимизировать сопротивлительные потери. Авторы оценили эти практические показатели — напряжение холостого хода, коэффициент заполнения и общую эффективность преобразования мощности — комбинируя квантовые расчёты с установленными моделями устройств. Они прогнозируют, что все восемь новых молекул теоретически могут достигать эффективностей выше 20%, значительно выше оценочных 12% для исходной эталонной структуры. Два кандидата выделяются по разным причинам. G7 обеспечивает наивысший предсказанный ток, поскольку захватывает самое широкое спектральное окно солнечного излучения, что привлекательно для тандема или условий слабого освещения. G5, с другой стороны, достигает лучшего баланса: в модели он даёт сильный ток, высокое напряжение и отличный коэффициент заполнения, что приводит к ожидаемой эффективности около 37% при стандартном солнечном освещении.

Что это значит для будущих солнечных технологий

Для неспециалистов ключевая мысль в том, что химию можно использовать как тонкую настройку для солнечных материалов. Изменяя лишь небольшие группы на концах в остально схожей молекуле, исследователи смогли предсказать значительные улучшения в захвате солнечного света и в эффективности его преобразования в электричество. Хотя эти результаты теоретические и ещё требуют проверки в лаборатории, они указывают на ясный рецепт проектирования для следующего поколения органических солнечных элементов: инжениривать терминальные фрагменты, которые расширяют поглощение света, способствуют чистому разделению зарядов и минимизируют молекулярные перестройки при переносе заряда. Среди виртуальных кандидатов G7 выделяется по мощности захвата света, а G5 предлагает наиболее практичную всестороннюю производительность, делая оба сильными претендентами для будущих гибких и высокоэффективных солнечных плёнок.

Цитирование: Ghaffar, A., Yousuf, A., Qureshi, M.Z. et al. DFT study of benzothiadiazole based small molecules for high efficiency organic photovoltaics. Sci Rep 16, 5859 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35432-6

Ключевые слова: органические солнечные элементы, не-фуллереновые акцепторы, бензотиадиазол, фотовольтаическая эффективность, молекулярное проектирование