Новый способ синтеза акцептора, необходимого при конструировании материалов для органической электроники, представили ученые Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ). Это важное открытие, особенно актуальное в месяц энергетики будущего – именно им назван октябрь в рамках объявленного в России в Года наука и технологий.
Изменения в структуре акцептора влияют на физические и химические свойства материалов. Это открывает перспективы для дальнейшего изучения конструирования солнечных элементов. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале «Molecules» (Q1).
Запасы углеродного топлива иссякают, и в научной среде все активнее поднимается вопрос решения существующих проблем, связанных с использованием альтернативных источников энергии. Например, широко известны батареи на основе кристаллического кремния, которые эффективно преобразовывают энергию, но цена на них высока. Альтернатива – органические солнечные батареи. Они отличаются механической прочностью, малым весом, долгим сроком службы и возможностью работы даже в искусственном и отраженном свете.
Ключевую роль в таких устройствах играют органические фотосенсибилизаторы – вещества, способные поглощать световые лучи и использовать световую энергию. Именно эти вещества определяют производительность органических солнечных батарей. При конструировании специальных красителей для органической электроники широко применяется бензо[c][1,2,5]тиадиазол (BTD), однако исследователи практически полностью его изучили.
Ученые обратились к ближайшему аналогу BTD, бензо[d][1,2,3]тиадиазолу (isoBTD). Он продемонстрировал более высокие значения энергии низшей вакантной молекулярной орбитали (вносит максимальный вклад в энергию взаимодействия реагентов) и ширины запрещенной зоны (разности молекул электронов). Это указывает на высокую электронную проводимость (проводимость тока), возникающую из-за повышенной стабильности молекулы в возбужденном состоянии.
Графический реферат статьи, где отмечены преимущества структур на основе нового, ранее не исследованного внутреннего акцепторного билдинг-блока
«isoBTD практически не изучен как строительный блок. Мы получили ряд соединений π-спейсер-акцептор-π-спейсер, и использование 2,2'-битиофенового фрагмента в качестве π-мостика привело к полезным для конструирования материалов свойствам: неожиданному существенному увеличению коэффициента экстинкции [поглощения световой волны] в электронном спектре поглощения и сдвигу обоих максимумов поглощения в синюю область спектра для соединения на основе isoBT по сравнению с аналогичным соединением на основе BT. Таким образом, нами установлено, что тщательный подбор компонентов может привести к появлению многообещающих фотовольтаических материалов», – рассказал доктор химических наук, профессор ЮУрГУ Олег Ракитин.
Дизайн и синтез новых органических красителей для материалов, в которых возникает ток при воздействии света, выполнили в совместной лаборатории Южно-Уральского государственного университета и Института органической химии РАН. Исследование электрохимических и оптических свойств провели в ИОХ РАН.
В результате ученые установили, что тщательный подбор компонентов может эффективно влиять на физические характеристики солнечных ячеек и органических светодиодов. Работу, считают исследователи, можно считать инновационной и открывающей хорошие перспективы для дальнейшего изучения конструирования перспективных солнечных элементов.
Высокая рыночная потребность результатов проекта у специалистов в области разработки новых функциональных материалов делает проект стратегически важным и позволяет надеяться, что его результаты будут востребованы в академической, производственной и коммерческой деятельности.
Южно-Уральский государственный университет поставил себе задачу стать в ближайшем будущем центром развития зеленой энергетики, которая изменит ландшафт потребления энергии и качество жизни общества, решая одновременно проблемы увеличивающегося потребления энергии и снижения экологической нагрузки на окружающую среду. Актуальность этого направления обусловлена, прежде всего, потребностями региона. Челябинск – город с населением более 1 миллиона человек, в котором расположено более 10 крупных промышленных предприятий, в основном металлургического профиля. Одним из направлений решения задач, поставленных перед регионом, является развитие технологий в области экологически безопасных энергетических технологий. Органическая фотовольтаика является одной из самых перспективных технологий конверсии энергии.
Южно-Уральский государственный университет – это университет цифровых трансформаций, где ведутся инновационные исследования по большинству приоритетных направлений развития науки и техники. В соответствии со стратегией научно-технологического развития РФ университет сфокусирован на развитии крупных научных междисциплинарных проектов в области цифровой индустрии, материаловедения и экологии. В Год науки и технологий ЮУрГУ победил в конкурсе по программе «Приоритет 2030». Вуз выполняет функции регионального проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (УМНОЦ).