Зарядить телефон от штор или куртки. Японцы создали «солнечные чернила», которые собирают себя сами

Учёные из Осакского столичного университета создали молекулу, которая сама формирует p/n-переходы, ключевые структуры для превращения солнечного света в электричество. Это открывает более простой путь к созданию эффективных органических тонкоплёночных солнечных элементов и может снять одну из главных технологических проблем в этой области.

Органические солнечные элементы принципиально отличаются от привычных кремниевых панелей. Вместо кремния в них используются углеродные полупроводники. За счёт этого такие батареи получаются лёгкими, гибкими и сравнительно недорогими в производстве. Их можно выпускать в виде специальных чернил и наносить на самые разные поверхности, например на оконные плёнки, строительные материалы или даже ткани. Однако по эффективности они до сих пор заметно уступают классическим солнечным панелям, и одна из причин кроется в устройстве их внутренней структуры.

Итак, для работы солнечного элемента необходимо наличие p/n-перехода. Это область, где встречаются 2 типа полупроводников, один с избытком положительных носителей заряда, другой с избытком отрицательных. Именно на этой границе происходит разделение зарядов, возникающих при поглощении света, и их дальнейшее движение по цепи. Если такой переход сформирован плохо, электрический ток образуется неэффективно.

Обычно такие структуры создают путём физического смешивания 2 разных молекул. На практике этот процесс крайне капризный. Даже небольшие изменения температуры, состава растворителя или условий обработки могут привести к неравномерному распределению компонентов. В результате структура получается нестабильной, а характеристики устройства сильно колеблются от образца к образцу.

В поисках более надёжного решения исследователи обратились к другой идее. Вместо того чтобы смешивать разные молекулы, они решили объединить оба полупроводниковых свойства в одной структуре. Такая молекула сама формирует внутри себя области с разными электрическими характеристиками и может выстраивать нужную архитектуру без внешнего смешивания. Проблема, опять же, заключается в том, что самосборка молекул — очень хрупкий процесс.

Команда разработала молекулу под названием TISQ, в которой объединены 2 функциональных фрагмента. Один из них обладает свойствами p-типа полупроводника, другой — n-типа. Эти части соединены химическими группами, которые способствуют образованию водородных связей. За счёт этого молекулы способны сами выстраиваться в упорядоченные структуры, формируя на наноуровне области с разными электрическими свойствами.

Эксперименты показали, что поведение TISQ сильно зависит от среды. В полярных растворителях молекулы собираются в компактные структуры, напоминающие наночастицы. В неполярных — вытягиваются в волокнистые образования. Эти 2 типа организации отличаются не только формой, но и тем, как эффективно они проводят заряд после поглощения света.

Измерения показали, что «частицеподобные» структуры дают почти вдвое больший фототок, чем волокнистые. Проще говоря, электричество в них образуется и переносится значительно эффективнее. При этом все эти различия возникают не за счёт механической сборки, а благодаря тому, как молекулы сами организуются в пространстве.

Чтобы проверить практическую применимость подхода, учёные создали прототипы органических тонкоплёночных солнечных элементов, используя TISQ как единственный активный материал. В этих устройствах молекулы самостоятельно формировали наноразмерные p/n-переходы, без отдельного смешивания разных компонентов.

Такой подход может применяться не только в солнечных элементах, но и в других органических электронных системах — от фотодетекторов до устройств для сбора и передачи световой энергии. В перспективе это позволяет создавать более стабильные, предсказуемые и технологически простые решения без сложной настройки интерфейсов между разными материалами.