Полностью органическая солнечная батарея сохраняет солнечный свет в течение 48 часов, используя только воду и органические молекулы

Исследователи из Германии создали полностью органическую "солнечную батарею", которая улавливает солнечный свет, накапливает энергию в течение более двух дней и отдает ее в виде электричества. В ней используется пористый двумерный ковалентный органический каркас (COF) из нафталендиимида, который объединяет фотоэлектрические и электрохимические функции в одном легком материале. Эта безметалловая конструкция предлагает более устойчивый вариант для автономного энергоснабжения.

COF действует и как поглотитель света, и как резервуар для заряда. При освещении он генерирует пары электрон-дырка и задерживает образовавшиеся заряды в своих упорядоченных порах. В водных условиях эти заряды остаются стабильными в течение как минимум 48 часов - беспрецедентное время хранения для этого класса материалов - и могут быть разряжены по требованию для работы внешней нагрузки. Команда измерила удельную емкость в 38 миллиампер-часов на грамм, что превосходит аналогичные показатели нитридов углерода, полимерных полупроводников и металлоорганических каркасов.

Молекулы воды помогают сохранить накопленную энергию. Вместо того чтобы гасить заряды, вода перестраивается вокруг COF-структуры и образует энергетический барьер, который препятствует рекомбинации. Исследования подтверждают, что это взаимодействие стабилизирует захваченные электроны, не нуждаясь в ионах или металлических центрах.

Моделирование под руководством спектроскопистов из Технического университета Мюнхена изучило несколько сценариев стабилизации зарядов и показало, как молекулярный дизайн, архитектура каркаса и окружающая среда работают вместе, чтобы зафиксировать заряды на месте. Простота механизма - органические строительные блоки плюс вода - помогает объяснить устойчивость материала к циклическим нагрузкам.

Практические испытания подтвердили эту прочность: устройство сохранило более 90% своей емкости после многократных циклов заряда-разряда. Такие характеристики делают COF-платформу перспективным кандидатом для интегрированных накопителей солнечной энергии, особенно там, где вес, экологичность и дефицит материалов являются важнейшими проблемами. Дальнейшая работа будет направлена на масштабирование синтеза каркаса, улучшение плотности заряда и интеграцию материала в полноценные фотоэлектрические системы.