С ростом потребности в электроэнергии, обусловленной развитием электрификации и искусственного интеллекта, становится критически важным искать экологически безопасные источники энергии. Одним из таких источников, активно изучаемых учеными по всему миру, являются солнечные батареи. Помимо традиционных кремниевых солнечных панелей, развиваются альтернативные технологии, включая органические солнечные элементы, основанные на использовании проводящих полимеров.
Органические солнечные батареи имеют ряд преимуществ. Они легкие, гибкие, сравнительно дешевые в производстве и могут быть установлены на окнах, текстиле или даже в помещениях, обеспечивая питание для персональной электроники. Такие батареи уже представлены на рынке, и их доля ожидает значительного роста. Эффективность органических солнечных батарей сегодня достигает 20%, что сравнимо с традиционными кремниевыми панелями. Однако их массовое производство сталкивается с экологическими вызовами.
Проблема заключается в том, что для изготовления органических солнечных элементов используется раствор, содержащий токсичные вещества. Этот раствор испаряется при нанесении материала на подложку, создавая угрозу как для окружающей среды, так и для здоровья работников, занятых в производстве.
«Для реализации массового производства органических солнечных батарей, например, с использованием технологий печати, необходимо найти методы, которые исключают использование токсичных веществ. В противном случае такая технология не будет ни экологичной, ни безопасной», — отмечает Фэн Гао, профессор оптоэлектроники в Линчепингском университете.
Исследовательская группа под его руководством, в сотрудничестве с коллегами из Китая и США, предложила решение этой проблемы. Ученые разработали способ производства органических солнечных батарей с использованием различных безопасных растворителей.
Ключевым достижением стало изучение молекулярных взаимодействий между материалами, переносящими электроны, и используемым растворителем. С помощью передовых технологий синхротронного рентгена и нейтронного анализа эксперты смогли подробно рассмотреть процесс формирования структуры солнечной батареи, начиная с начальной стадии растворения компонентов и заканчивая финальной структурой пленки.
«Чтобы выбрать подходящий растворитель, важно понимать весь процесс производства солнечной батареи, включая начальную структуру раствора, динамические процессы во время испарения и финальную структуру пленки,» — поясняет ведущий автор статьи Руй Чжан.
Этот подход позволил ученым создать универсальный принцип проектирования, подходящий для использования множества безопасных растворителей. В перспективе они надеются, что даже вода сможет выступать в качестве растворителя для органических солнечных батарей.
Понимание связи между структурой материала и его характеристиками остается одной из главных задач в области органической электроники. Для изучения ультрабыстрого переноса заряда на наноуровне требуется анализ молекулярных взаимодействий и процессов, происходящих на границе материалов. Новая методика открывает путь к устойчивому производству органических солнечных батарей.
«Благодаря методу производства без токсинов у нас появилась реальная возможность коммерциализировать эту технологию в больших масштабах», — подчеркивает Фэн Гао.
Эта работа не только приближает нас к экологичному производству солнечной энергии, но и открывает новые горизонты в разработке органической электроники, обеспечивая более безопасное будущее для планеты.
Ранее ученые в рамках специальной программы NASA разработали солнечные батареи для Южного полюса Луны.
