Органическая солнечная ячейка сузила конус излучения: путь к 43% пока теоретический

Исследователи из Института фотонных наук ICFO в Барселоне под руководством профессора Жорди Марторелла превратили органическую солнечную ячейку в оптический резонатор и подавили излучение фотонов под большими углами. Пресс-релиз ICFO и материал TechXplore вышли 6 октября 2026 года; сама работа опубликована в журнале Energy & Environmental Science (DOI: 10.1039/d6ee03772k), дата выхода статьи в журнале в источниках не приводится. Первым автором указан Франсиско Берналь Теска; вместе с ним в группу входят Кьяра Кортезе, Мария Крамаренко и Цюань Лю.

Речь идёт о потерях Больцмана. Материал, который поглощает свет, умеет и излучать его обратно, и в солнечной ячейке этот процесс неизбежен. Солнце на небе занимает крошечный участок, поэтому свет приходит в ячейку в узком конусе направлений. Сама ячейка излучает широко, практически во всю полусферу над собой. Разница между узким входящим и широким исходящим конусом оборачивается потерей полезной работы, которую можно снять с устройства.

Как устроена полость

Ключ к сужению конуса излучения — металлический передний электрод. В эксперименте его сделали серебряным: металл хорошо отражает свет в широком диапазоне углов. Вокруг этого электрода выстроена слоистая структура, которая вместе с серебряным задним электродом образует оптический резонатор. Такая конструкция совмещает широкоугольное отражение, сужающее конус излучения, с высоким пропусканием в направлении приходящего света. Основой послужила инвертированная органическая ячейка на смеси PM6:Y6.

Представим условную ячейку, которая ловит свет только из узкого сектора неба, а отдаёт обратно во все стороны. Часть энергии уходит в направлениях, откуда свет никогда не придёт, и эта энергия не превращается в электричество. Если поставить позади активного слоя зеркало, отражающее свет обратно под нужными углами, ячейка начнёт «выпускать» фотоны туда же, откуда их получает. Потери сократятся. Границы аналогии просты: зеркало не создаёт новую энергию, оно лишь перераспределяет, куда уходит излучение, и работает только в тех пределах, которые допускает конструкция ячейки.

Предел Шокли—Куиссера, учитывающий внутренние механизмы потерь, теоретически установлен на уровне 33,16%. По словам Берналя Тески, если сузить конус излучения так, чтобы он ближе совпал с конусом приходящего солнечного света, ячейки в принципе смогут приблизиться к эффективности около 43%. Экспериментально, как утверждает автор, продемонстрировано именно сужение конуса излучения; приближение к 43% он называет принципиальной возможностью, а не достигнутым результатом.

Здесь важно разделять заявленное и измеренное. Цифра 43% сформулирована как принципиальная возможность, а не как достигнутый результат. Измеренного КПД устройства в доступных источниках нет: пресс-релиз ICFO сообщает о подавлении излучения под большими углами и сужении конуса, но не приводит конкретного значения эффективности. Не указано также, на какой площади измерялась ячейка, какова её стабильность и воспроизводимость и насколько узким конус излучения удалось сделать на практике. Первичная статья в Energy & Environmental Science оказалась недоступна для проверки по первоисточнику, поэтому детали изготовления, толщины слоёв и методики угловых измерений остаются известны только по пресс-релизу.

Марторелл отмечает, что принцип не привязан к органическим материалам и в принципе применим к другим фотоэлектрическим технологиям. Берналь Теска добавляет, что простота конструкции полости не добавляет сложности изготовлению, в отличие от многих подходов к преодолению предела Шокли—Куиссера. Для тех, кто разбирает подобные публикации по слоям и формулировкам, пригодится подбор литературы по теме.