Российская группа ученых разработала эмпирическую модель, которая позволяет прогнозировать фотостабильность полимеров для органической солнечной энергетики на основе их молекулярной структуры.
Группа исследователей из России сделала значительный шаг в области органической фотовольтаики, представив новую методику проектирования стабильных органических солнечных элементов (ОСЭ). Данная работа была опубликована в журнале Advanced Energy Materials.
Для проведения анализа ученые объединили усилия нескольких организаций: Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии (ФИЦ ПХФ и МХ РАН), Института элементоорганических соединений имени Несмеянова РАН, Института физики металлов имени Михеева УрО РАН, Уральского федерального университета и Московского государственного университета имени Ломоносова.
Основным результатом стало введение параметра figure of merit (FOM), который отражает фотостабильность полимеров под воздействием солнечного света, особенно в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне.
Исследователи классифицировали полимерные материалы на «строительные блоки» и для каждой из этих единиц рассчитали дескриптор стабильности (δ). Сумма этих дескрипторов позволяет предсказать стабильность материала. Для более чем 240 полимеров полученная корреляция между прогнозом и экспериментом составила r = 0,92.
Кроме того, исследование выявило, что материалы с более высокой упорядоченностью полимерных цепей и кристалличностью подвержены быстрой деградации. Это происходит из-за усиления межмолекулярных реакций под воздействием света.
Ключевым физическим механизмом оказались триплетные возбужденные состояния (T1): чем ниже энергия T1 у строительного блока, тем быстрее происходит разрушение полимера.
По словам руководителя исследования, заведующего отделом кинетики и катализа ФИЦ ПХФ и МХ РАН Павел Трошин, предложенный подход открывает новые горизонты для целенаправленного создания органических полупроводниковых материалов с высоким КПД и длительным сроком службы.
Органические солнечные элементы уже демонстрируют эффективность более 20 %. Однако главной преградой для их широкого промышленного использования остается низкая стабильность: материалы подвержены деградации из-за воздействия света.