Солнечная энергия становится доступнее: ученые повысили эффективность органических батарей

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Представьте себе мир, где ваш телефон заряжается от чехла, который на него надет, а окна домов не только пропускают свет, но и превращают его в электричество. Эта картина, похожая на фантастику, может стать реальностью благодаря стремительному развитию органической фотовольтаики — технологии создания солнечных батарей из углеродных соединений.

В отличие от своих кремниевых собратьев, органические солнечные элементы гибкие, легкие, их можно делать полупрозрачными и даже цветными. Они открывают головокружительные перспективы для создания носимой электроники, интегрированных в одежду или аксессуары солнечных батарей, и даже энергоэффективных зданий будущего.

До недавнего времени КПД (коэффициент полезного действия) органических солнечных элементов оставался камнем преткновения на пути их широкого распространения. Однако, международная группа ученых под руководством профессора Ган Ли из Гонконгского политехнического университета совершила настоящий прорыв в этой области.

Солнечные панели будущего, иллюстрация
Солнечные панели будущего, иллюстрация
Автор: Designer

Секрет успеха кроется в искусстве «молекулярной хирургии». Исследователи сфокусировались на тончайших изменениях в структуре органических молекул, из которых состоят солнечные элементы. Используя передовые методы компьютерного моделирования, они определили, что даже смещение атомов хлора в молекуле вещества, поглощающего свет, способно значительно повысить эффективность преобразования солнечной энергии в электричество.

Представьте себе молекулу как миниатюрный механизм, где каждый атом играет роль шестеренки. Неправильное расположение даже одной детали может привести к сбоям в работе всего механизма. Точно так же и в органических солнечных элементах — малейшие неточности в структуре молекул приводят к потерям энергии и снижению КПД.

АСМ-изображения высоты пленок PM6:BTP-eC9 (a), PM6:o-BTP-eC9 (b) и тернарной смеси (c). АСМ-фазовые изображения пленок смеси PM6:BTP-eC9 (d), PM6:o-BTP-eC9 (e) и троичной смеси (f).
АСМ-изображения высоты пленок PM6:BTP-eC9 (a), PM6:o-BTP-eC9 (b) и тернарной смеси (c). АСМ-фазовые изображения пленок смеси PM6:BTP-eC9 (d), PM6:o-BTP-eC9 (e) и троичной смеси (f).
Автор: Fu, J., Yang, Q., Huang, P. et al. Rational molecular and device design enables organic solar cells approaching 20% efficiency. Nat Commun 15, 1830 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46022-3 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Ученые разработали и синтезировали новую молекулу — o-BTP-eC9, которая стала своего рода «хирургически улучшенной» версией уже известного материала BTP-eC9. Как показали эксперименты, замена всего 15% BTP-eC9 на o-BTP-eC9 в составе солнечного элемента привела к увеличению КПД до рекордных 19,9%.

Это настоящий прорыв! Ведь до недавнего времени порог в 20% КПД казался недостижимым для органической фотовольтаики.

Увеличение КПД — это только один из успехов исследователей. Важно отметить, что o-BTP-eC9 не только улучшает поглощение света, но и оптимизирует движение электрических зарядов внутри солнечного элемента.

2D GIWAXS дифракционные картины смесей PM6:BTP-eC9 (a), PM6:o-BTP-eC9 (b) и тернарных пленок (c). Соответствующие 1D GIWAXS профили линейных срезов вдоль направлений IP (d) и OOP (e). f 1D GISAXS профили вдоль направления qr. 2D GISAXS дифракционные картины смесей PM6:BTP-eC9 (g), PM6:o-BTP-eC9 (h) и тернарных пленок (i). Исходные данные представлены в файле Source Data.
2D GIWAXS дифракционные картины смесей PM6:BTP-eC9 (a), PM6:o-BTP-eC9 (b) и тернарных пленок (c). Соответствующие 1D GIWAXS профили линейных срезов вдоль направлений IP (d) и OOP (e). f 1D GISAXS профили вдоль направления qr. 2D GISAXS дифракционные картины смесей PM6:BTP-eC9 (g), PM6:o-BTP-eC9 (h) и тернарных пленок (i). Исходные данные представлены в файле Source Data.
Автор: Fu, J., Yang, Q., Huang, P. et al. Rational molecular and device design enables organic solar cells approaching 20% efficiency. Nat Commun 15, 1830 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46022-3 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

«Это похоже на то, как если бы мы не просто расширили дорогу, но и убрали все пробки на пути движения электронов», — объясняет профессор Ли. — «В результате мы получаем более быструю и эффективную передачу энергии».

Открытие гонконгских ученых — это огромный шаг к созданию дешевых, гибких и эффективных солнечных батарей нового поколения. Вполне возможно, что уже в ближайшем будущем мы станем свидетелями настоящей революции в области портативной энергетики, и словосочетание «солнце в кармане» перестанет быть фантастикой.

Если органические солнечные элементы такие замечательные — гибкие, легкие, полупрозрачные — то почему мы до сих пор не видим их повсеместного использования?

Действительно, у органической фотовольтаики огромный потенциал. Проблема в том, что до недавнего времени КПД органических солнечных элементов был значительно ниже, чем у традиционных кремниевых. Это делало их неконкурентоспособными на рынке. Однако, описанное в статье открытие, возможно, переломит ситуацию, ведь 19,9% КПД — это уже заявка на серьезную конкуренцию.

В статье говорится о «молекулярной хирургии». Неужели ученые буквально «переставляют атомы» в молекулах?

Конечно, никто не орудует скальпелем в нанометровом масштабе. «Молекулярная хирургия» — это метафора. Ученые используют компьютерное моделирование, чтобы проанализировать влияние мельчайших изменений в структуре молекул на их свойства. А затем, с помощью сложных химических реакций, они синтезируют новые молекулы с заданными характеристиками.

Хорошо, допустим, органические солнечные элементы станут такими же эффективными, как кремниевые. Но смогут ли они сравниться с ними по долговечности?

Это один из ключевых вопросов, над которым работают ученые. Органические материалы, как правило, менее стойкие к воздействию окружающей среды, чем кремний. Однако, ученые активно ищут решения — разрабатывают новые, более стабильные материалы, а также совершенствуют методы защиты органических солнечных элементов от внешних воздействий.

Какое будущее ждет органическую фотовольтаику? Фантазии о телефонах, заряжающихся от чехла, станут реальностью?

Если ученым удастся преодолеть оставшиеся препятствия — повысить КПД и долговечность — нас ждет настоящая революция. Органические солнечные элементы могут быть интегрированы в одежду, здания, транспорт, что сделает нас менее зависимыми от традиционных источников энергии. Так что, возможно, телефон, заряжающийся от чехла, — это не такая уж и фантастика.

3 комментария

Добавить комментарий

G
Несколько месяцев назад писали аналогичную новость, что новая технология уже способна обеспечивать КПД солнечных батарей на уровне свыше 100%. Как-то позабыли об этом.
D
там 20% достичь сегодня это просто предел всей науки, если кто-то сможет до 25% довести это сразу нобелевка и жизнь без забот включая правнуков от патентных сборов )
1
В принципе у нас есть пример из природы — фотосинтез. Вот только количество энергии, получаемое таким образом невозможно для активного существа. Растениям его часто не хватает, куда уж там животным.
Тут трудности с самой атмосферой, которая не позволяет большей части энергии звезд добираться до поверхности планеты. Из-за этого мы собственно и живы до сих пор.
Если уж и делать солнечные поглотители, то сразу в космосе. Но тут другой прикол — тогда стоимость энергии вырастет в разы. И какой смысл?

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Почему у змей нет ног? Как эволюция изменила тело этих рептилий

Змеи передвигаются без лап, но при этом способны быстро ползать, плавать, забираться на деревья и даже перемещаться по песку. Их тело устроено так, чтобы компенсировать отсутствие конечностей:...

Почему повербанк на 10 000 мАч не может зарядить смартфон с аккумулятором 5000 мАч два раза

Казалось бы, математика элементарная: делим 10 000 на 5 000 и получаем ровно две полные зарядки. Но в реальности новенький повербанк заряжает такой смартфон от силы полтора раза.Многие сразу...

Почему водители ЗИЛ-131 перед глубоким бродом специально открывали двери кабины

ЗИЛ-131 считается одним из самых проходимых советских грузовиков. Полноприводная схема 6x6, три ведущих моста, большие односкатные колёса, понижающая передача в раздаточной коробке и...

✦ ИИ  «Зачем его менять? Оно же работает». Почему заводы в России держатся за советские станки

Почему капремонт массивной станины советского 16К20 экономически выгоднее покупки нового обрабатывающего центра с ЧПУ за десятки миллионов? Дело не в ностальгии...

С острова убрали кошек ради спасения птиц — и неожиданно получили взрыв численности кроликов

Остров Маккуори лежит между Тасманией и Антарктидой. Холодный ветер, мокрый снег, торфяные склоны и огромные колонии морских птиц кажутся плохим местом для домашних кошек и европейских кроликов. Но...