Группа под руководством профессора Хирохико Фукагавы из Центра передовой науки Университета Тиба в Японии описала термодинамическую границу, которая связывает генерацию фототока с потерями напряжения в органических солнечных элементах. Исследование опубликовали онлайн 7 октября 2026 года в журнале Advanced Materials, а Университет Тиба сообщил о результатах 28 октября.

Учёные собрали упрощённые элементы с отдельными слоями донора и акцептора. Они изучили пять донорных материалов и 15 акцепторов с электронной сродством от 2,0 до 3,1 эВ. Энергии ионизации и электронное сродство материалов в твёрдом состоянии измеряли с помощью ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии и низкоэнергетической обратной фотоэлектронной спектроскопии.

Как свет превращается в электрический ток

Донор поглощает свет и создаёт возбуждённое состояние. Затем электрон переходит к акцептору, но сначала электрон и дырка остаются связанными в состоянии переноса заряда, или CT-состоянии. Чтобы элемент начал вырабатывать электричество, заряды должны разделиться и стать свободными носителями.

Энергия CT-состояния влияет на напряжение, которое может выдать ячейка. Излучательная рекомбинация с участием этого состояния вносит вклад в потери напряжения.

Исследователи обнаружили, что для сохранения фототока особенно важна разница между оптической энергетической щелью донора и энергией разделённых зарядов. Когда эти величины сближаются, возникает практическая термодинамическая граница: фототок ещё может сохраняться, а потери напряжения уменьшаются. Рядом с этой границей эффективность преобразования также имела тенденцию к росту.

Более жёсткие донорные молекулы были связаны с меньшей релаксацией и меньшим энергетическим рассеянием CT-состояния. В нескольких исследованных системах его эффективная энергия связи составляла 0,1 эВ или меньше. Это указывает на близость энергии CT-состояния к энергии свободных зарядов.

Представим условный элемент, в котором энергия CT-состояния почти совпадает с энергией разделённых зарядов. В такой схеме переход к свободным носителям происходит при меньшем энергетическом разрыве, а условие для сохранения фототока сочетается с меньшими потерями напряжения. Это объясняет смысл найденной границы, но не означает, что одной настройки энергий достаточно для эффективной работы любого элемента.

Почему одной энергетической настройки недостаточно

На эффективную энергию связи CT-состояния влияют также делокализация заряда, упаковка молекул и электростатическая среда на границе донора и акцептора.

Исследование Университета штата Северная Каролина, опубликованное в журнале Matter в 2024 году, показало, что потери напряжения на такой границе связаны сразу с двумя факторами: энергетическим перепадом и беспорядком на интерфейсе. Они действуют вместе.

Работа Университета Тиба выполнена на упрощённых элементах с раздельными слоями донора и акцептора. Поэтому её результат нельзя автоматически переносить на все практические объёмные гетеропереходы. Сами исследователи отмечают, что энергия связи зависит от нескольких свойств материалов и от условий на границе между ними.

Фукагава считает, что перенос этих принципов в практические материалы с объёмным гетеропереходом может помочь создавать органические элементы, которые эффективно генерируют ток при меньших потерях напряжения. Среди возможных областей применения он назвал лёгкие и гибкие устройства, но это направление пока остаётся перспективой, а не результатом испытаний готового изделия.

Полный текст статьи Advanced Materials связан с DOI 10.1002/adma.75304. Для подготовки материалов к международной публикации существует услуга подготовки научной статьи.

Схема показывает путь от поглощения света через CT-состояние к свободным зарядам и отмечает связь между энергетической границей, фототоком и потерями напряжения.

Фото: ClickerHappy / Pexels