Органические солнечные батареи

Каков потенциал солнечной энергии? Как сегодня используют эту энергию? Что из себя представляет современная органическая солнечная батарея? Какие проблемы возникают в создании материала для гелиобатарей? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук Дмитрий Паращук.

Из всех доступных нам источников энергии в перспективе самыми емкими являются только два: ядерная энергия и энергия Солнца. На поверхность Земли от Солнца поступает огромное количество энергии, которая превышает глобальные потребности человечества на величину в четыре порядка. Энергии, которую мы получаем от Солнца в течение одного часа, фактически достаточно на целый год. Вопрос в том, как ее использовать. В настоящее время ее преобразуют с помощью неорганических, в основном кремниевых, батарей. Их эффективность около 15%, они служат около 30 лет и дольше, но основная проблема — это стоимость. Стоимость электроэнергии, которая получается за счет применения этих батарей, довольно высока. Поэтому нужны новые типы солнечных батарей, которые были бы дешевле и позволяли бы использовать ресурс энергии Солнца в большем масштабе.

Перспективными материалами могут быть органические, основанные на полимерах или на больших органических молекулах. Что требуется от этих молекул? От них требуется высокое поглощение света. Тогда они будут очень тонкие, тонкопленочные. Если они тонкие, значит расходуется гораздо меньше материала и, соответственно, снижается стоимость. Также эти материалы должны обладать полупроводниковыми свойствами, то есть проводить электричество. И еще одно требование, чтобы при падении света на этот материал в нем вырабатывались, возбуждались как говорят, свободные носители заряда, электроны и дырки, и чтобы их можно было оттуда вытащить с помощью соответствующих электродов.

Что из себя представляет современная органическая батарея? Как правило, это смесь двух органических полупроводников, в наиболее удачном варианте которой один из полупроводников — фуллерен или его производные. Чтобы такой материал работал, нужно взять один материал p-типа, дырочный, другой материал — n-типа. И если их смешать, то у нас получится объемный гетеропереход. Первые органический батареи были сделаны из двух слоев: слоя-донора и слоя-акцептора. Органические полупроводники отличаются от неорганических тем, что при поглощении света в них не возбуждаются непосредственно носители заряда, а образуются связанные пары, экситоны. Чтобы экситон превратить в носитель заряда, его нужно разорвать, для чего нужно приложить дополнительную энергию. Разрыв экситона происходит на интерфейсе, если есть два типа материала. Тогда на границе экситон разваливается, и электрон идет в одну сторону, а дырка — в другую. Но концепция двухслойной батареи не очень хорошо работает, потому что экситоны, которым необходимо двигаться по полупроводнику, способны сместиться после поглощения света на очень маленькое расстояние, в десятки нанометров максимум. Поэтому перешли к концепции объемного гетероперехода, где используются не два слоя, а взаимопроникающие сетки донора и акцептора, где путь от любой точки в объем и интерфейс очень маленький.