Укрепление жесткости основной цепи, способствующее делокализации дырок и обеспечивающее эффективное генерацию зарядов с минимальными потерями напряжения в нефуллереновых органических фотоэлектрических устройствах

Почему улучшенные пластиковые солнечные элементы важны

Панели, изготовленные из гибких углеродсодержащих материалов, обещают легкие, сгибаемые и потенциально очень дешевые источники энергии для всего — от фасадов зданий до носимой электроники. Но эти органические солнечные элементы по‑прежнему теряют больше энергии в виде тепла, чем их кремниевые аналоги, особенно в виде «потерь напряжения», которые ограничивают количество полезной электрической мощности. В этой работе изучается новый пластикоподобный материал с необычно жесткой основной цепью, который помогает органическим солнечным элементам эффективнее превращать свет в электричество, при этом уменьшая потери напряжения по сравнению с похожими устройствами.

Новый тип пластика для сбора света

Исследователи сосредоточились на органическом солнечном элементе, сделанном из смеси двух компонентов: длинноцепочечного полимера PTNT1-F, который отдает положительные заряды, и нефуллереновой молекулы Y12, принимающей отрицательные заряды. В этих устройствах свет создает тесно связанные пары электрон–дырка, которые должны быть разъединены на границе донор–акцептор для генерации тока. Проблема в том, что уменьшение энергетического градиента, приводящего к этому разделению, обычно снижает ток, хотя и помогает сократить потери напряжения. PTNT1-F спроектирован с жесткой, протяженной системой колец из углерода и серы, которая поддерживает упорядоченность его электронных состояний — свойство, которое команда предположила, может позволять эффективное разделение зарядов даже при малой движущей силе.

Высокая мощность при маленьком «сбросе»

Когда PTNT1-F смешивают с Y12 в стандартной структуре солнечного элемента, устройства достигают коэффициента преобразования мощности выше 18 процентов, что сопоставимо или превосходит показатели ведущих органических ячеек на основе популярных полимеров D18 и PM6. Существенно то, что ячейки на PTNT1-F достигают этого при необычно малых «нелучистых потерях напряжения» всего около 0,18 вольта. Эта потеря отражает, какая часть энергии уходит в тепло, а не излучается слабым светом или собирается в виде электрической работы. В опубликованных органических ячейках снижение этой потери обычно сопровождалось уменьшением тока. Здесь авторы показывают, что PTNT1-F нарушает эту тенденцию: его эффективность генерации зарядов достигает примерно 80 процентов от теоретического предела — самого высокого значения, зарегистрированного для органических ячеек с такими низкими потерями напряжения.

Жесткие цепи, сохраняющие порядок в смеси

Чтобы понять, почему этот материал работает так хорошо, команда исследовала упаковку его длинных молекулярных цепей и распределение их уровней энергии. Рентгеновская дифракция и продвинутая спектроскопия показывают, что при смешивании PTNT1-F с Y12 разброс его энергетических уровней — так называемая плотность состояний — практически не расширяется. Иными словами, полимер сохраняет высокий уровень порядка даже в сложной смешанной пленке. Для сравнения, эталонные полимеры D18 и PM6 демонстрируют явные признаки увеличения беспорядка после смешивания, что вносит дополнительную энергетическую «неровность» и ловушки. Оптические измерения дополнительно показывают, что PTNT1-F обладает относительно высокой эффективностью светопередачи и ограниченным нелучистым распадом, чертами, связанными с его жесткой основой, которая ограничивает внутренние движения, через которые энергия могла бы теряться в виде тепла.

Как жесткость помогает зарядам убегать

При ближайшем рассмотрении механизма авторы утверждают, что жесткость PTNT1-F позволяет положительным зарядам (дыркам) распространяться вдоль цепи, а не оставаться локализованными. Расчеты эффективной массы дырок подтверждают эту картину, указывая, что полимер может поддерживать расширенные электронные состояния. Дополнительные измерения, чувствительные к тонким ловушкам на границе донор–акцептор, показывают, что в смесях на основе PTNT1-F меньше глубоких ловушек, чем в смесях на основе D18 или PM6. В совокупности эти данные подразумевают, что как только дырка передается от Y12 к PTNT1-F, она может быстро делокализоваться вдоль относительно гладкой, упорядоченной основы, что облегчает разделение электрона и дырки до их рекомбинации.

Уроки проектирования для следующего поколения солнечных пластиков

Проще говоря, это исследование показывает, что упрощение и увеличение жесткости основной цепи полимера помогает органическим солнечным элементам получать «больше отдачи за те же затраты»: им требуется меньший энергетический толчок для разделения зарядов, при этом они по‑прежнему дают высокий ток, сокращая энергетические потери, которые долгое время сдерживали эти устройства. Работа указывает, что тщательная форма ядра молекулы — ее симметрия, размер и выравнивание колец вдоль цепи — может сохранять порядок в перегруженной смеси и способствовать делокализации зарядов. Эти правила проектирования могут направить разработку будущих пластичных солнечных материалов, сочетающих высокую эффективность с низкими потерями напряжения, приближая гибкие и легкие фотоэлектрические устройства к практическому масштабному применению.

Цитирование: Suruga, S., Mikie, T., Sato, Y. et al. Backbone rigidity promoting hole delocalization and enabling efficient charge generation with minimal voltage loss in nonfullerene organic photovoltaics. Commun Mater 7, 79 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01115-y

Ключевые слова: органические солнечные элементы, полиимерные полупроводники, разделение зарядов, нефуллереновые акцепторы, фотоэлектрическая эффективность