03.11.2010
На сегодняшний день производство обычных солнечных элементов на основе кремния весьма энергоемко. По сравнению с ними производство органических солнечных элементов значительно дешевле. Но у последних есть свой недостаток - более низкий коэффициент фотоэлектрического преобразования. До сих пор не было точного ответа на вопрос, с чем это может быть связано. Метод, разработанный учеными из Берлинского центра по исследованию материалов имени Гельмгольца (HZB), показывает, что на величину тока, протекающего в солнечном элементе, может влиять спин частицы, несущей заряд.
Около десяти лет ученые работают над созданием органических солнечных элементов. Производство таких элементов является экологически чистым, и в качестве рабочих тел они могут использовать разнообразные материалы, например, полиэтиленовые пленки. Проблема заключается в том, что большая часть выработанной электроэнергии поглощается самим материалом, вследствие чего эффективность таких элементов примерно в пять раз ниже, чем у солнечных элементов на основе кремния.
Немецкие ученые из HZB разработали метод, позволяющий изменять магнитные свойства частиц, несущих заряд, с целью выявить, как именно происходит потеря электроэнергии. Вместе со своими шотландскими коллегами они опубликовали результаты своих исследований в журнале Physical Review Letters.
Органические солнечные элементы представляют собой углеродные соединения. Их называют еще пластиковыми солнечными элементами. Рабочей частью элемента является слой толщиной порядка одной стомиллионной мм, состоящий из двух перемешанных друг с другом компонентов, полимеров и фуллеренов. Когда свет падает на этот слой, полимерная компонента переходит в возбужденное состояние, образуя множество экситонов, водородоподобных квазичастиц. Когда экситон сталкивается с фуллереном, электрон экситона перескакивает на молекулу фуллерена. При этом в полимере образуется дырка, носитель положительного заряда. В результате многократных столкновений возникает электрический ток за счет движения электронов и дырок в противоположные стороны. Электроны проходят через фуллерены, в то время как дырки движутся по полимерным цепям. Дырки, которые ученые называют в данном случае поляронами, при движении создают друг другу препятствия, тем самым снижая эффективность солнечного элемента. Такое их поведение устанавливает предел количества электроэнергии, которое может быть произведено при заданной интенсивности солнечного излучения.
Используя метод EDMR (Electrically Detected Magnetic Resonance), ученые обнаружили, что поляроны всегда препятствуют движению друг друга, когда направление их спинов совпадает. "Впервые мы обнаружили и тем самым подтвердили возникновение так называемых биполяронов." - сообщил Ян Берендс (Jan Behrends), который проводил данные измерения в рамках своей докторской работы в институте кремниевой фотовольтаики HZB.
Применяя EDMR метод, исследователи манипулировали спинами поляронов за счет использования внешнего магнитного поля и СВЧ-импульса. Произвольно направленный спин приобретал определенное направление. Результаты работы показали, что ток протекает свободно, если спины поляронов ориентированы в противоположном направлении, и блокируется, если в одном направлении.
Используя модифицированный экспериментальный метод, изначально разработанный для изучения кремния, исследователи выявили причину низкой эффективности органических солнечных элементов при комнатной температуре. "Благодаря данному открытию в скором времени мы должны увидеть новые достижения в области органических солнечных элементов." – считает руководитель проекта доктор Клаус Липс (Dr. Klaus Lips).
J. Behrends, A. Schnegg, K. Lips, E. A. Thomsen, A. K. Pandey, I. D. W. Samuel, and D. J. Keeble.
Bipolaron Formation in Organic Solar Cells Observed by Pulsed Electrically Detected Magnetic Resonance. Phys. Rev. Lett. 105, 176601 (2010); DOI:10.1103/PhysRevLett.105.176601
http://www.physorg.com/news/2010-10-current-loss-tracked-magnetic-fingerprint.html
