Новый полимер может повысить производительность органических и перовскитных солнечных элементов
Изображение. Вариант иллюстрации с обложки выпуска журнала Macromolecular Chemistry, в котором опубликовано исследование по синтезу полимеров для солнечных батарей; рисунок автора исследования. Источник: Марина Теплякова/Сколтех
Исследователи Сколтеха и их коллеги синтезировали новый сопряженный полимер для органической электроники с помощью двух различных химических реакций и для каждой продемонстрировали влияние параметров синтеза на характеристики полимера в органических и перовскитных солнечных элементах. Статья с описанием результатов исследования опубликована в журнале Macromolecular Chemistry and Physics.
Сегодня, когда весь мир стремится перейти на экологически чистые и возобновляемые источники энергии, в частности солнечную энергию, ученые активно работают над задачей повышения производительности солнечных элементов. Наиболее перспективными для этой цели технологиями считаются органические солнечные элементы, а также перовскитные элементы на основе галогенида свинца. Эти две быстроразвивающиеся фотоэлектрические технологии открывают возможности для более экономичной и стабильной генерации солнечной энергии. Их основное преимущество по сравнению с коммерческими солнечными элементами на основе кристаллического кремния — низкая стоимость нанесения светочувствительного слоя из раствора. Данный подход не только удешевляет производство электроэнергии и упрощает его масштабирование за счет использования рулонной технологии, но и позволяет создавать устройства на гибких и эластичных поверхностях.
На сегодняшний день существует ряд факторов, препятствующих широкому внедрению этих технологий. Если говорить об органических солнечных батареях, по-прежнему ведется работа по повышению их эффективности, в основном за счет оптимизации состава светочувствительного слоя. Как правило, этот слой в них состоит из комбинации донорных и акцепторных компонентов, где функцию донора выполняет сопряженный полимер.
Что касается перовскитных солнечных батарей, их сертифицированные эффективности достигают 25,5%, что делает их главным конкурентом коммерческим солнечным батареям на основе кристаллического кремния. Основным препятствием на пути к коммерциализации технологии остается низкая стабильность устройств. Недавние исследования показали, что для повышения стабильности устройства на светочувствительный перовскитный материал можно наносить защитный слой, обеспечивающий как селективную экстракцию носителей заряда, так и надежную защиту материала. Такую защитную функцию могут выполнять в том числе и сопряженные полимеры.
В обоих видах фотовольтаических устройств, использующих сопряженные полимеры, наилучшие эффективности будут достигнуты при условии обеспечения высокого качества полимеров. В частности, материал должен содержать малое количество дефектов, которые могут служить «ловушками зарядов». Высокого качества можно достичь за счет усовершенствования процесса синтеза материалов.
«Сопряженные полимеры можно использовать для различных целей, поэтому мы исследуем возможности оптимизации синтеза с целью улучшения качества материала, что в свою очередь позволит повысить производительность фотоэлектрических устройств. Наше исследование посвящено изучению определенного типа сопряженных полимеров, цепь которых содержит звено на основе изомера известного красителя индиго — изоиндиго. Полученные результаты показывают, что из двух альтернативных методов синтеза материалов на основе изоиндиго — реакций Стилле и Сузуки — на заключительном этапе процесса лучше все-таки использовать реакцию Стилле», — рассказывает аспирант Сколтеха Марина Теплякова.
Марина Теплякова и ее коллеги — первый проректор Сколтеха Кит Стивенсон и ученые из Института проблем химической физики РАН — синтезировали сопряженный полимер на основе изоиндиго, используя два метода синтеза, которые обычно применяют при производстве таких полимеров: реакции поликонденсации Стилле и Сузуки.
Сопряженные полимеры — это органические материалы, структуру которых образуют чередующиеся донорные и акцепторные компоненты. Эти компоненты называются мономерами и объединяются в полимерные цепи при помощи различных реакций полимеризации. Для этого в структуры мономеров, задействованных в реакциях полимеризации, вводят определенные функциональные группы, зависящие от типа используемой реакции. Для изготовления полимеров, содержащих изоиндиго, обычно используют два метода синтеза, а именно реакции поликонденсации Стилле и Сузуки — обе они были рассмотрены в совместном исследовании группы ученых Сколтеха и ИПХФ РАН.
Помимо упомянутых выше различий в функциональных группах, эти две реакции требуют разных условий. Так, реакция поликонденсации Сузуки проходит в смеси двух несмешивающихся растворителей, воды и органического растворителя, в присутствии неорганического основания, а переход мономеров между жидкостями обеспечивается специальным веществом — катализатором фазового перехода. Реакция Стилле обычно протекает в одной фазе и при повышенных температурах. Кроме того, обе реакции требуют использования катализаторов на основе палладия.
«В ходе эксперимента мы определили, что в стандартных условиях поликонденсации Сузуки происходит разрушение мономера на основе изоиндиго, — поясняет Марина Теплякова. — Методом высокоэффективной жидкостной хроматографии мы установили, что в условиях двухфазной реакции с неорганическим основанием и катализатором межфазного переноса сигнал, соответствующий мономеру на основе изоиндиго, трансформируется в три отдельных сигнала, что указывает на необратимое разрушение исходного соединения. Мы подобрали условия протекания реакции, которые являются безопасными для материала и не приводят к его разрушению».
Высокоэффективная жидкостная хроматография — аналитический метод, позволяющий идентифицировать в смеси различные компоненты, прокачивая ее под давлением через колонку, заполненную адсорбирующим материалом. Каждое вещество, содержащееся в смеси, взаимодействует с адсорбентом по-разному и, следовательно, преодолевает высоту колонки за разное время. По этому времени и определяются компоненты смеси.
Следующим этапом исследования был синтез полимера на основе изоиндиго по реакциям Сузуки с оптимизированными условиями и Стилле. Было установлено, что полимеры, полученные двумя разными путями, имеют схожие молекулярные массы и оптоэлектронные свойства. Далее оба материала прошли испытания в органических солнечных батареях в качестве компонента фотоактивного слоя, а также в перовскитных солнечных батареях в качестве дырочно-транспортного слоя. Органические и перовскитные солнечные батареи, содержащие полимер, полученный по реакции Стилле, показали более высокие эффективности: 15,1% и 4,1%, соответственно. Те же устройства, содержащие полимер, синтезированный с помощью поликонденсации Сузуки, продемонстрировали эффективности 12,6% и 2,7%.
Ученые предположили, что различие в характеристиках обусловлено наличием в материале, полученном с помощью реакции Сузуки, дефектов, которые могли послужить ловушками зарядов. Для подтверждения этого предположения оба материала были охарактеризованы методом электронного парамагнитного резонанса. Было обнаружено, что материал, полученный по реакции Сузуки, содержит в пять раз больше дефектов, что, вероятно, и привело к ухудшению характеристик фотовольтаических устройств.
Таким образом, было показано, что для полимеров на основе изоиндиго важен выбор синтетического пути, так как он может значительно повлиять на качество материала. В дальнейшем участники проекта планируют сравнить эффективности фотовольтаических устройств, содержащих полимеры различного строения, для установления связи между структурой полимера и производительностью устройства. Результаты данной работы позволят более рационально подойти к процессу дизайна полупроводниковых полимерных материалов для фотовольтаических устройств.
*****
Сколтех — негосударственный международный университет. Созданный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT), Сколтех готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: наука о данных и искусственный интеллект, науки о жизни и здоровье, современные методы проектирования и перспективные материалы, энергоэффективность, фотоника и квантовые технологии, перспективные исследования. Усилия Сколтеха призваны способствовать укреплению технологического превосходства России в приоритетных направлениях. Сайт: https://www.skoltech.ru/.
