Американские и китайские химики создали солнечный элемент с эффективностью более десяти процентов и светопроницаемостью более 45 процентов. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Создание прозрачных солнечных панелей - одна из самых интересных областей современной фотовольтаики. Такие солнечные панели можно будет встраивать в окна домов и получать дополнительную электроэнергию без ущерба для внешнего вида здания и освещенности внутри. Однако создать устройства, сочетающие высокую эффективность и достаточную светопроницаемость, непросто. Можно сказать, что эти параметры конкурируют друг с другом - чем больше фотонов пройдет насквозь через солнечный элемент, тем меньше фотонов поглотится в активном слое и тем меньше энергии выработает панель. Впрочем, некоего баланса достичь можно: для этого надо искать материалы с высоким коэффициентом поглощения вне видимой области спектра, а также максимально эффективно использовать энергию поглощенных фотонов.

Американские и китайские химики под руководством Стивена Форреста (Stephen R. Forrest) из Мичиганского университета сумели получить прозрачные солнечные панели с высокой эффективностью. Активный слой этих солнечных батарей представляет собой тонкую пленку смеси двух соединений - донора и акцептора. В качестве донора использовали полимер PCE-10, который практически прозрачен в видимой области спектра. Для того чтобы выбрать идеальный акцептор, ученые синтезировали и протестировали три похожих поликонденсированных гетероароматических соединения: уже использовавшийся в прозрачных элементах акцептор SBT-FIC и два похожих на него соединения А078 и А134, для которых максимум поглощения еще дальше сдвинут в ближнюю инфракрасную область. Дополнительным аргументом в пользу новых акцепторов оказалась простота их получения - это важно для стоимости будущих солнечных модулей. Синтез SBT-FIC включает в себя десять последовательных стадий, а синтез А078 и А134 - всего по шесть стадий.

Формулы соединений-акцепторов и соответствующие спектры поглощения.
Li et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020

Чтобы получить полностью прозрачный солнечный элемент, прозрачного активного слоя недостаточно. Нужно сделать светопроницаемыми оба электрода и все промежуточные вспомогательные слои. Авторы изготовили катод из прозрачного проводящего оксида индия, допированного оловом (Indium Tin Oxide, ITO). Для анода протестировали два варианта - такой же прозрачный электрод из ITO и тонкий серебряный слой толщиной 16 нанометров. Кроме того внешняя (обращенная к солнечному свету) поверхность солнечного элемента была покрыта антиотражающим материалом на основе фторида магния с оксидом кремния, а внутренняя (обращенная в помещение) - специальным световыводящим покрытием. Наилучшую эффективность - 10,8 процентов, светопроницаемость 45,7 процента - продемонстрировали элементы на основе A078 с серебряным анодом, однако авторы отметили, что металлический слой придает солнечному элементу легкий зеленоватый оттенок. Элементы с анодом из ITO продемонстрировали худшую эффективность (8,1 процента), но зато были полностью бесцветными. Для элементов на основе А134 эффективность была значительно хуже, авторы объясняют это худшей растворимостью этого соединения и более низким качеством получившихся пленок.

Сравнивая прозрачные солнечные элементы, ученые вычисляют произведение двух конкурирующих параметров - эффективности и светопроницаемости. Для солнечного элемента на основе A078 этот параметр оказался равен 5,0 процентам. Это очень заметный шаг вперед, ранее рекордным значением этого параметра было 3,9 процента.

В дальнейшем Форрест и его коллеги планируют заняться повышением стабильности устройств - пока что в этом параметре прозрачные солнечные элементы заметно уступают традиционным кремниевым.