В престижном международном журнале Advanced Energy Materials (импакт-фактор 26.0) была опубликована масштабная исследовательская работа, которая знаменует собой важный шаг в развитии органической фотовольтаики. Исследование под названием «Unraveling the Relationship Between the UV Photostability of Conjugated Polymers and Their Molecular Structures: Triplet States Matter!» («Раскрытие взаимосвязи между УФ-фотостабильностью сопряженных полимеров и их молекулярной структурой: важность триплетных состояний!») обобщает результаты систематического анализа почти 250 различных сопряженных полимеров.

Как отметил руководитель исследования Заведующий отделом кинетики и катализа ФИЦ ПХФ и МХ РАН, к.х.н. П.А. Трошин: «На днях была опубликована наша статья в Advanced Energy Materials. В этой работе обобщены результаты масштабного исследования почти 250 сопряженных полимеров на предмет их стабильности под действием света. Впервые удалось количественно описать скорость деградации сопряженных полимеров на основе дескрипторов для структурных блоков, входящих в их состав. Достигнутая точность предсказания (коэффициенты линейной корреляции Пирсона более 0.9) позволяют теперь направленным образом создавать новые, более стабильные материалы для органических солнечных батарей. Предложенный подход можно смело назвать прорывным, т.к. он открывает принципиально новые возможности для дальнейшего развития органической фотовольтаики. Поздравляю всех авторов этой большой работы!»

Работа, выполненная коллективом ученых из нескольких российских научных центров (Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка), Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН (Москва), Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН (Екатеринбург) и Уральский федеральный университет (Екатеринбург), Кафедра фундаментальной физической и химической инженерии МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва)), представляет собой систематическое изучение более 240 сопряженных полимеров с целью выявления взаимосвязи между их молекулярной структурой и устойчивостью к действию высокоэнергетического ультрафиолетового излучения.

Органические солнечные элементы (ОСЭ) — перспективная технология, уже достигшая КПД свыше 20%. Однако их широкому коммерческому применению мешает одна ключевая проблема — недостаточная стабильность. Материалы в ОСЭ деградируют под воздействием солнечного света, особенно ультрафиолетового (УФ), что резко сокращает срок их службы.

Чтобы заполнить этот пробел, авторы провели беспрецедентное по своему масштабу исследование. Для количественной оценки скорости деградации был введен специальный параметр — «figure of merit» (FOM).

Главным достижением работы стала разработка эмпирической модели, которая позволяет предсказать фотостабильность полимера, основываясь лишь на его молекулярной структуре. Ученые разбили полимеры на составляющие «строительные блоки» и для каждого из них определили  дескриптор стабильности (δ).

Точность прогноза и роль кристалличности

Расчетная стабильность полимера определяется простым суммированием дескрипторов входящих в его структуру блоков. Точность этой модели оказалась исключительно высокой: для >240 полимеров предсказанные значения FOM с высокой точностью совпали с экспериментальными (коэффициент корреляции Пирсона r = 0.92).

Было обнаружено важное явление: оказалось, что упорядочение полимерных цепей в пленках и, в особенности, кристалличность материала ускоряет деградацию. Это явление связано с ускоренным протеканием в таких системах межмолекулярных реакций, которые инициируются под действием света.

Физический механизм: почему важны триплетные состояния

С помощью квантово-химических расчетов ученые раскрыли физическую природу наблюдаемых закономерностей. Ключевую роль в процессе деградации играют триплетные возбужденные состояния (T1). Была обнаружена четкая корреляция: чем ниже энергия триплетного состояния T1 у строительного блока, тем быстрее деградирует полимер на его основе.

Значение работы

Представленное исследование имеет фундаментальное и прикладное значение.

1. Прорыв в прогнозировании: Впервые предложена высокоточная количественная модель, позволяющая предсказать фотостабильность полимера еще до его синтеза, лишь по молекулярной структуре.
2. Практическое руководство для химиков: Ранжирование строительных блоков по их вкладу в стабильность дает четкие инструкции по созданию новых, более стабильных материалов.
3. Фундаментальные основы для дальнейшего развития области: Работа устанавливает четкую физическую взаимосвязь между молекулярной структурой материалов, их электронным строением (энергией триплетных состояний) и скоростью фотодеградации.

Предложенный в работе подход открывает принципиально новые возможности для направленного дизайна новых органических полупроводниковых материалов, сочетающих как высокую эффективность работы в органических солнечных батареях, так и длительный срок службы, что является критически важным для будущего коммерческого успеха органической фотовольтаики.

Petr M. Kuznetsov, Ekaterina A. Komissarova, Sergey A. Kuklin, Tatiana N. Khokhlova, Polina G. Novkina, Radmir M. Khisamov, Ivan S. Zhidkov, Olga A. Kraevaya, Alexander F. Shestakov, and Pavel A. Troshin // Unraveling the Relationship Between the UV Photostability of Conjugated Polymers and Their Molecular Structures: Triplet States Matter! // Advanced Energy Materials, Q-1, IF=26.0

https://doi.org/10.1002/aenm.202501179