Этот метод, разработанный исследователями из Технологического института Джорджии и коллегами из трех других институтов, обеспечивает новый способ индуцирования электрического легирования p-типа в органических полупроводниковых пленках. Процесс включает в себя кратковременное погружение пленок в раствор при комнатной температуре и заменит более сложную технику, требующую вакуумной обработки.
«Мы надеемся, что это изменит правила игры для органической фотоэлектрической энергии за счет дальнейшего упрощения процесса изготовления солнечных элементов на основе полимеров», — сказал Бернард Киппелен, директор Центра органической фотоники и электроники Технологического института Джорджии и профессор Школы технологий Электротехника и вычислительная техника. «Мы считаем, что этот метод может повлиять на многие другие платформы устройств в таких областях, как органическая печатная электроника, датчики, фотодетекторы и светодиоды."
Работа, спонсируемая Управлением военно-морских исследований, была опубликована 5 декабря в журнале Nature Materials. В исследовании также приняли участие ученые из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Университета Кюсю в Японии и Технологического университета Эйндховена в Нидерландах.
Методика заключается в погружении тонких пленок органических полупроводников и их смесей в растворы полиоксометаллата (PMA и PTA) в нитрометане на короткое время — порядка минут.
Диффузия молекул допанта в пленки во время иммерсии приводит к эффективному электрическому легированию p-типа на ограниченной глубине от 10 до 20 нанометров от поверхности пленки. Области, легированные p-легированием, демонстрируют повышенную электропроводность и высокую работу выхода, пониженную растворимость в технологическом растворителе и улучшенную стабильность фотоокисления на воздухе.
Этот новый метод представляет собой более простую альтернативу чувствительным к воздуху слоям оксида молибдена, используемым в наиболее эффективных полимерных солнечных элементах, которые обычно обрабатываются с использованием дорогостоящего вакуумного оборудования.
Применительно к полимерным солнечным элементам новый метод легирования обеспечивает эффективное улавливание дырок. Впервые однослойные полимерные солнечные элементы были продемонстрированы путем объединения этого нового метода со спонтанным вертикальным фазовым разделением аминосодержащих полимеров, что приводит к эффективному улавливанию электронов на противоположном электроде. Геометрия этих новых устройств уникальна, поскольку функции сбора дырок и электронов встроены в светопоглощающий активный слой, что приводит к простейшей однослойной геометрии с небольшим количеством интерфейсов.
«Реализация однослойной фотоэлектрической энергии с помощью нашего подхода позволяет сделать оба электрода в устройстве из недорогих проводящих материалов», — сказал Канек Фуэнтес-Эрнандес, старший научный сотрудник исследовательской группы Киппелена. «Это значительно упрощает геометрию устройства и улучшает фотоокислительную стабильность донорного полимера. Хотя для полной оценки воздействия этих инноваций необходимы исследования срока службы и анализа затрат, они, безусловно, являются очень интересными разработками на пути преобразования органических фотоэлектрических элементов в коммерческую технологию."
По словам Фелипе Ларрена, доктора философии, за счет упрощения производства органических солнечных элементов новая технология обработки может позволить изготавливать солнечные элементы в регионах Африки и Латинской Америки, где отсутствуют капиталоемкие производственные мощности.D. студент в лаборатории Киппелена.
«Наша цель — еще больше упростить производство органических солнечных элементов до такой степени, что каждый материал, необходимый для их изготовления, может быть включен в единый набор, который предлагается населению», — сказал Ларрейн. «Продукт солнечных батарей может быть другим, если вы сможете предоставить людям решение, которое позволит им создавать свои собственные солнечные элементы. Когда-нибудь это может позволить людям управлять собой и быть независимыми от электросети."
Органические солнечные элементы изучались во многих академических и промышленных лабораториях в течение нескольких десятилетий, и их эффективность преобразования энергии постоянно улучшалась, и лабораторные значения достигли 13 процентов — по сравнению с примерно 20 процентами для коммерческих кремниевых элементов. Хотя полимерные элементы в настоящее время менее эффективны, для их производства требуется меньше энергии, чем для кремниевых элементов, и их легче утилизировать в конце срока их службы.
«Возможность обрабатывать солнечные элементы полностью при комнатной температуре с использованием этого простого метода, основанного на решении, может проложить путь к масштабируемому и безвакуумному методу изготовления устройств, при этом значительно сокращая время и затраты, связанные с этим», — сказал Владимир Колесов. доктор философии.D. исследователь и ведущий автор статьи.
Помимо солнечных элементов, метод легирования можно было бы более широко использовать в других областях органической электроники, отметил Ph.D. исследователь Вэнь-Фан Чоу. «Благодаря своей простоте, это действительно многообещающая технология, предлагающая регулируемую проводимость полупроводников, которая может быть применена к различной органической электронике и может оказать огромное влияние на индустрию массового производства."