ИСТИНА

Органические солнечные фотоэлементы (СФ) являются альтернативой традиционным неорганическим солнечным батареям. Их основными преимуществами являются легкость, гибкость, простота изготовления и возможность достаточно легко варьировать свойства материалов, составляющих активный слой. Однако, несмотря на значительный прогресс в области создания органических СФ за последние 15 лет, их КПД остается значительно ниже (менее 12%), чем у неорганических элементов (более 45%). Более того, за последние 2-3 года рекордные КПД органических СФ практически не увеличились, что может свидетельствовать об исчерпании возможностей используемых подходов и необходимости поиска новых. Моделирование работы органических СФ позволяет определить пути дальнейшего увеличения их эффективности и найти критерии для разработки новых перспективных материалов. Предложенные ранее модели органических СФ не учитывали современные представления о механизме разделения зарядов, в т. ч. ключевую роль в нем неравновесных («горячих») состояний. В настоящем проекте планируется разработать кинетическую модель работы органического СФ в рамках современных представлений о разделении экситона на свободные заряды. С помощью разработанной модели предполагается исследовать влияние на эффективность органического СФ различных факторов, в т. ч. ширины запрещенной зоны полупроводника, диэлектрической проницаемости, подвижности зарядов, энергии реорганизации и т. д. Планируется выявить факторы, оказывающие наибольшее влияние на работу органического СФ, оценить известные органические полупроводниковые материалы с точки зрения их использования в СФ и определить наиболее удачные из них. Таким образом, модель позволит предложить наиболее перспективные пути разработки более эффективных органических СФ.

1. Разработана оригинальная кинетическая модель, учитывающая двухэтапный процесс разделения зарядов и избыточную энергию «горячих» СТ-состояний и позволяющая исследовать влияние на работу органического солнечного фотоэлемента (СФ) уровней энергии НВМО донора и акцептора, ширины запрещенной зоны донора, диэлектрической проницаемости, делокализации СТ-состояния, скорости геминальной рекомбинации и термализации зарядов, подвижности зарядов, а также энергии реорганизации. Оценена адекватность модели путем сопоставления ее предсказаний с литературными экспериментальными данными и предсказаниями ранее предложенных моделей. 2. Создано программное обеспечение, позволяющее рассчитать теоретический КПД органического солнечного фотоэлемента с заданными свойствами активного слоя. 3. На основе модели сделаны оценки влияния различных факторов на КПД органического СФ. Исследована роль энергии реорганизации донора и акцептора. Получена зависимость предельного КПД органического СФ от ширины запрещенной зоны донора при различных значениях остальных параметров, сделаны выводы о связи оптимальной ширины запрещенной зоны со свойствами активного слоя. В рамках модели оценены различные донорно-акцепторные смеси, СФ на основе которых показали высокие КПД. Проведено сопоставление предсказаний модели о зависимости КПД от различных факторов с экспериментальными данными. В частности, проанализировано, согласуются ли предсказания об оптимальной ширине запрещенной зоны с экспериментом. 4. Проведен расчет энергии реорганизации наиболее часто используемых донорно-акцепторных пар (доноры: полупроводниковые полимеры поли-3-гексилтиофен, PTB7, PCDTBT и др., а также низкомолекулярные вещества; акцепторы: PCBM, ICBA, перилен диимид), а также новых перспективных донорно-акцепторных пар. 5. На основе построенной кинетической модели органического СФ разработана численная модель, связывающая КПД органического СФ с морфологией активного слоя и микроскопическими параметрами: интегралами перекрывания ?-орбиталей соседних молекул, энергиями реорганизации донора и акцептора, а также параметром беспорядка. 6. На основе полученных результатов предложены подходы по увеличению эффективности органических СФ.