Новый растягивающийся органический солнечный элемент может обеспечить эффективную энергию, необходимую для следующего поколения носимых устройств, утверждает группа международных исследователей.
Работа группы под руководством Чжэнье Ванга, исследователя из Уханьской национальной лаборатории оптоэлектроники Хуачжунского университета науки и технологий в Ухане (Китай), направлена на решение одной из наиболее важных задач, стоящих перед носимыми технологиями: разработку долговечного, гибкого и эффективного источника энергии.
Носимые устройства должны быть гибкими и прочными, чтобы оставаться незаметными во время использования, сгибаясь и растягиваясь вместе с телом. В то же время эти устройства требуют высокоэффективных источников питания для работы датчиков, дисплеев и транзисторов без излишней громоздкости и веса. Традиционные батареи не отвечают этим требованиям, поскольку их жесткая, статичная структура ограничивает гибкость и долговечность устройств, которые они питают.
Исследовательская группа решила эти проблемы, разработав новый тип органических солнечных элементов (OSC). Эти легкие и гибкие источники энергии можно обрабатывать в растворе, что делает их идеальными для носимых технологий. Хотя OSC уже давно считаются перспективным вариантом, создание практичной, высокопроизводительной версии, сохраняющей эффективность при сильных деформациях, оказалось непростой задачей. Солнечный элемент для носимых технологий Команда разработала инновационное решение, объединив органосилановый функционализированный акцептор малых молекул (BTP-Si4) с гибким полимерным акцептором (PNTB6-Cl). Эта смесь продемонстрировала отличную гибкость и производительность.
«Это обусловлено уникальной скрученной/волнистой конформацией PNTB6-Cll, которая повышает пластичность, и наличием атома кремния в разветвленных заместителях BTP-Si4, который пластифицирует смесь», — пояснил соавтор работы Антонио Факкетти из Технологического института Джорджии/Северо-Западного университета.
Растягивающийся солнечный элемент сохраняет 80% своей эффективности даже при экстремальном растяжении, что превосходит предыдущие попытки создания растягивающихся элементов. Ячейка может растягиваться примерно в три раза дальше, чем предыдущие разработки, сохраняя при этом свою функциональность.
Результаты работы команды подчеркивают, что молекулярная структура и смешиваемость (способность двух веществ смешиваться в однородную смесь) материалов напрямую влияют на механическую гибкость и эффективность солнечных элементов. Это исследование дает ценные знания о том, как минимизировать компромисс между гибкостью и эффективностью.
Одной из главных задач команды было создание нового акцептора — молекулы, облегчающей перенос заряда.
«На фундаментальном уровне основной задачей было продемонстрировать широкую применимость молекулярного дизайна этого нового семейства акцепторов и то, как они работают при пластификации смеси», — объясняет Факкетти. Движение солнечных элементов вперед Команда продолжает работу в области носимых технологий, стремясь «интегрировать механически прочные, вязкие источники энергии с растягивающимися схемами, датчиками и другими IoT-устройствами для применения в здравоохранении», — говорит Фачетти.
Будущие шаги включают «монолитную интеграцию этого типа источника энергии и возможность применения других типов полупроводников, используемых, например, в транзисторах и термоэлектрических приложениях», — добавил Факкетти.