«Созданные быть вместе силами природы, но разлучённые волей человека». Напоминает начало какого-нибудь бульварного чтива, а между тем это описание того, как учёные нашли путь к созданию более эффективных органических солнечных батарей.

Полимерная солнечная батарея. Гибкая и низкоэффективная, зато дешёвая и лёгкая. (Фото Renewable Power News.)

На атомном уровне органическая солнечная батарея функционирует подобно враждующим семьям в «Ромео и Джульетте». Несмотря на существование сильного естественного притяжения между положительным (дыркой) и отрицательным (электроном) зарядами, генерируемыми поглощёнными фотонами, они должны быть разделены для того, чтобы получить электроэнергию. В связанном состоянии эти заряды — пара электрон–дырка — известны под названием экситон. Таким образом, основным вопросом, на который учёные постарались найти ответ в своём исследовании, является то, какие структурные особенности материала позволят снизить энергетические затраты на разделение экситона.

Не забудем также о том, что чем ближе друг к другу электрон и дырка в составе экситона, тем труднее их разделить и тем выше вероятность того, что они рекомбинируют без генерирования полезного электричества. Однако при внесении дополнительной энергии в систему заряды начинают разделяться, вплоть до получения свободных электронов и дырок, что влечёт за собой формирование потока заряженных частиц и, следовательно, генерацию электричества. Но самое интересное: если при поглощении фотона образуется поляризованный, сильно растянутый и готовый к разделению экситон, резко возрастает вероятность того, что заряды смогут выбраться из потенциальной ловушки (экситон) и стать эффективными переносчиками электричества.

В своей работе группа из Аргоннской национальной лаборатории (США) под руководством Линь Чэня изучила, как четыре разные молекулы в полимерном слое, находящемся в центре солнечной батареи, генерировали различную экситоновую динамику. В итоге учёные пришли к следующему выводу: чем больше образуется сильно поляризованных экситонов, тем выше эффективность полимерной солнечной батареи.

Подробнее о характере использованных в исследовании материалах, корреляциях и теоретических обоснованиях можно узнать из статьи, опубликованной в Journal of the American Chemical Society.