Органические фотоэлектрические элементы считаются многообещающей альтернативой обычным пленкам на основе кремния, поскольку они более экологичны и дешевы в производстве. Ультратонкие гибкие солнечные элементы особенно привлекательны, поскольку они могут обеспечивать большую мощность на единицу веса и использоваться во множестве полезных приложений, таких как питание носимой электроники, а также в качестве датчиков и исполнительных механизмов в мягкой робототехнике.
Однако ультратонкие органические пленки имеют тенденцию быть относительно эффективными, как правило, с коэффициентом преобразования энергии от 10 до 12 процентов, что значительно ниже, чем соотношение в кремниевых элементах, которое может достигать 25 процентов, или жестких органических элементах, которые могут быть примерно до 17 процентов. Ультратонкие пленки также имеют тенденцию быстро разрушаться под воздействием солнечного света, тепла и кислорода. Исследователи пытаются создать ультратонкие пленки, которые были бы одновременно энергоэффективными и долговечными, но зачастую это трудный компромисс.
В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, группе удалось показать, что ультратонкая клетка может быть одновременно прочной и эффективной.
Группа начала с полупроводникового полимера для донорного слоя, разработанного Toray Industries, Inc., и экспериментировал с новой идеей использования нефуллеренового акцептора, повышающего термическую стабильность. Вдобавок к этому они экспериментировали с простым процессом постотжига, когда материал нагревали до 150 градусов Цельсия после первоначального отжига при 90 градусах. Этот шаг оказался критически важным для увеличения долговечности устройства за счет создания стабильной границы раздела между слоями.
По словам Кенджиро Фукуда, одного из авторов исследования: «Объединив новый слой выработки энергии с простой обработкой после отжига, мы достигли как высокой эффективности преобразования энергии, так и стабильности при длительном хранении в ультратонких органических солнечных элементах.
Наши исследования показывают, что ультратонкие органические солнечные элементы могут использоваться для стабильной подачи высокой мощности в течение длительных периодов времени и могут использоваться даже в суровых условиях, таких как высокая температура и влажность. Я очень надеюсь, что это исследование внесет свой вклад в разработку устройств с долгосрочным стабильным питанием, которые можно будет использовать в носимой электронике, такой как датчики, прикрепленные к одежде."
Исследование проводилось под руководством исследователей RIKEN в сотрудничестве с исследователями из Токийского университета, Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Университета Монаша.