Органические солнечные элементы, особенно на основе полимеров, недорого производить в больших масштабах. Благодаря своей физической гибкости они могут открыть новые области применения фотоэлектрической энергии, которые сегодня невозможны. Более того, они могут преобразовывать свет в электричество с эффективностью более десяти процентов и могут внести значительный вклад в крупномасштабное энергоснабжение на основе возобновляемых источников. Однако эффективность органических элементов по-прежнему быстро снижается, и они имеют более короткий срок службы, чем обычные кремниевые элементы.
На измерительной станции P03 источника света DESY PETRA III ученые провели первые живые наблюдения за деградацией органических солнечных элементов в процессе эксплуатации. Для этого они зажгли образец полимерного солнечного элемента с помощью имитатора солнечного излучения, который излучает свет, соответствующий спектру и интенсивности солнечного света, и записывает электрические характеристики элемента с течением времени.
С интервалом от нескольких минут до одного часа исследователи также заглядывали внутрь солнечного элемента, используя остро сфокусированный рентгеновский луч от PETRA III. Таким образом, они смогли наблюдать, как внутренняя структура активного слоя солнечного элемента изменилась в течение семи часов, в то время как эффективность элемента снизилась примерно на 25 процентов.Электричество генерируется в активном слое в так называемых активных доменах этих солнечных элементов.
Здесь происходит поглощение света и высвобождение носителей заряда. Диаметр этих активных доменов увеличился на 17 процентов за время исследования, примерно с 70 до более 80 нанометров (миллионных долей миллиметра).
В то же время, как показали рентгеновские измерения, среднее расстояние между ними увеличилось на 19 процентов с 310 нанометров до примерно 370 нанометров.«Это говорит о том, что во время работы небольшие сайты навсегда исчезают в пользу более крупных», — объясняет первый автор Кристоф Шаффер, аспирант группы Мюллер-Бушбаум. «Хотя домены растут, они также удаляются друг от друга, это означает, что их общая активная площадь сокращается. Это может точно объяснить наблюдаемое снижение эффективности».
«Исследование впервые объяснило механизм деградации. Это первый шаг», — говорит соавтор доктор Стефан Рот, ученый DESY, отвечающий за измерительную станцию P03. «Следующий шаг включает в себя попытку целенаправленно уменьшить или контролировать этот рост, например, путем добавления соответствующих веществ.
Полимерные солнечные элементы, вероятно, могут быть произведены с внутренней структурой, в которой активные центры увеличиваются до своего оптимального размера во время первые часы работы », — добавляет Мюллер-Бушбаум. «Последствием таких мер может быть то, что промышленные элементы, наконец, преодолеют критически важный с экономической точки зрения порог эффективности и при длительной эксплуатации», — подчеркивает Рот.