Электроника из органических материалов. Невозможно? Реально!
Новые материалы
Партнёры
О проекте

Органические солнечные батареи являются перспективной технологией в современной науке и обладают рядом преимуществ по сравнению с кремниевыми или литиевыми батареями.

  • Лёгкость
    Основную массу органических батарей составляет подложка, потому их очень легко инсталлировать, например, на крышу остановки.
    Источник фото: https://www.kurzweilai.net/printing-computer-displays-and-solar-cells
  • Компактность
    Благодаря своим свойствам, органические солнечные батареи можно свернуть и удобно переносить.
    Источник фото: https://heli-on.infinitypv.com/press/press-releases/pressrelease110618
  • Гибкость
    В отличие от хрупких и жёстких кремниевых панелей, органические фотоячейки способны прекрасно сгибаться, что позволяет использовать их даже в текстильной промышленности.
    Источник фото: https://www.fmf.uni-freiburg.de/de/projects/materials-for-energy-storage-and-conversion/organic-and-perovskite-solar-cells/organic-solar-cells
  • Экологичность
    При создании органических солнечных батарей есть возможность использования рулонной печати или принтинга. Также для создания батарей большой площади необходимы миллиграммы соединений, в отличие от килограммов кремния для той же площади.
    Источник фото: https://www.adamdanyal.com/renewable-energy/printed-solar-panels/
Принцип работы органической солнечной батареи
Свет возбуждает электронную пару донора (полимера), при этом электрон переходит с ВЗМО (высшей занятой молекулярной орбитали) на НСМО (низшую свободную молекулярную орбиталь) с образованием экситона. Далее электрон переходит на более энергетическивыгодную НСМО акцептора и уже оттуда к аноду. С помощью вспомогательного слоя — HTL (PEDOT:PSS) «дырка», оставшаяся после образования экситона, переносится к катоду. Цепь замыкается и образует электрический ток.
Этапы работы
1
Синтез сопряжённых полимеров
2
Изучение оптоэлектронных свойств
3
Сборка солнечной батареи
4
Изучение электрических свойств батареи
5
Сборка и проверка интегральной цепи с датчиком
Синтез сопряжённых полимеров
Изучение оптоэлектронных свойств
Сборка солнечной батареи
Изучение электрических свойств малой батареи и фотовольтаического модуля
Сборка и проверка интегральной цепи с датчиком
В активном слое, композите, должны быть акцептор и донорный полимер. В качестве акцептора использовался ITIC-F, а полимер нам предстояло синтезировать из производных флуорена и бензотиадиазола. Реакцию проводили в инертной атмосфере аргона. Время реакций составило 5 часов.
Далее мы исследовали оптоэлектронные свойства полимеров, чтобы доказать их способность быть полупроводниками, а также выявить оптимальную комбинацию с акцептором. Изучив свойства полимеров, мы пришли к выводу, что второй полимер более оптимально сочетается с акцептором. Таким образом, для дальнейшей работы мы будем использовать данный полимер.
Затем следовала сборка батареи. Мы использовали метод спин-коутинга для нанесения PEDOT:PSS, вспомогательного слоя, самого композита на стеклянную подложку. После нанесли электроды из серебряной пасты на готовую батарею.
Следующим этапом изучили электрические свойства батареи. Мы использовали потенциостат как источник-измеритель. Наши исследования доказали работоспособность батареи и позволили провести расчёты характеристик устройства. 

Финальным этапом является сборка цепи с датчиком Flower Care, запитанным нашей органической солнечной батареей. Устройство помещается в цветочный горшок, где измеряет различные характеристики важные для роста растения (температура, влажность, освещённость, минерализация почвы).
Результаты

  • Мы синтезировали два сопряжённых полимера на основе флуореновых, тиофеновых и бензотиадиазольных производных, представляющих собой полупроводниковые материалы p-типа

  • Исследовали оптоэлектронные свойства полимеров

  • Изготовили фотоактивный композит с нефуллереновым акцептором, собрали фотовольтаическую ячейку и изучили ее характеристики

  • Изготовили солнечную батарею на основе перспективной пары органических фотоактивных материалов для питания маломощных датчиков

  • Собрали электрическую схему для питания датчика Flower Care - элемента технологий Agriculture 4.0 и Internet of Things.

Планы и перспективы
1
Повысить КПД
Максимальный КПД для органических солнечных батарей, достигнутый в лаборатории, равен 18%. В то же время этот показатель в тех же условиях для кремниевых батарей равен 40%. Определённо, можно продолжать искать наилучшую комбинацию органических материалов с целью повысить КПД.
2
Увеличить стабильность
Другой проблемой является стабильность. Обычно, при высоком КПД органическая батарея имеет низкую стабильность и наоборот: при низком КПД — высокую стабильность.  Поэтому необходимо работать не только над увеличением КПД, но и над повышением стабильности.
3
Задуматься о масштабировании производства
Лабораторные условия существенно отличаются от производственных: повышенная влажность, атмосфера, содержащая кислород воздуха.
Команда
Кто участвовал в создании этого проекта?

  • Рыхлицкая Елизавета

    Инженер-исследователь
    tg: @llusf

  • Куприянец Любовь

    Химик-синтетик, веб-дизайнер
    tg: @AmorOrdinariusEst
  • Севостьянова Дарья

    Инженер-исследователь

    tg: @Flavumpull

  • Жидких Олег

    Инженер
    tg: @olegzhid
  • Чебоксаров Демьян
    Химик-синтетик
    tg: @RewDe_Deff
  • Зуйков Кирилл
    Инженер
    tg: @Zoosik
Руководители
Благодаря кому всё получилось?
  • Аккуратов Александр Витальевич
    К.х.н., в.н.с., ИПХФ РАН
  • Кузнецов Илья Евгеньевич
    К.х.н., н.с., ИПХФ РАН
Фотоотчёт
Большие Вызовы 2022 - Новые материалы

Контакты научных руководителей:
akkuratow@yandex.ru
kusnetsovilja@gmail.com