جزيء صغير ثنائي الترابط يحقق كفاءة بنسبة 18.12% في الخلايا الشمسية العضوية الثلاثية

لتحقيق خلايا شمسية عضوية عالية الأداء، تُعدّ الخلايا الشمسية العضوية الثلاثية خيارًا عمليًا وفعالًا. من المهم تطوير مُكوّن ثالث أفضل لضمان كفاءة الخلايا الشمسية العضوية الثلاثية. طوّر الباحثون جزيئًا جديدًا لهذه الدراسة، واكتشفوا أن الجزيء الصغير المُثبّت يُمكن أن يزيد من كفاءة الخلايا الشمسية العضوية الثلاثية.

يُظهر الجزيء الجديد امتصاصًا تكامليًا مع مستويات طاقة تُضاهي PM5 وBTP-eC9. علاوة على ذلك، يُمكنه أيضًا التحكم في ترتيب PM6:BTP-eC9. يُحسّن استخدام PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 في الجهاز الثلاثي من تفكك الإكسيتون، وانخفاض إعادة التركيب، ونقل الشحنات. وقد أدى ذلك إلى زيادة كفاءة تحويل الطاقة، بحوالي 18.26%. ويتجاوز هذا المستوى الكفاءة السابقة للثنائي PM6:BTP-eC9، والتي كانت 17.63%.

هدف الدراسة : إظهار إمكانات جزيئات مانحة صغيرة ثنائية التكوين للخلايا الشمسية العضوية الثلاثية (OSCs).

جزيء صغير ثنائي الترابط يمكن أن يزيد من كفاءة الخلايا الجذعية المكونة للدم الثلاثية: كيف؟

يفضل الباحثون الخلايا الشمسية العضوية باعتبارها مدخلاً جديداً واعداً في تكنولوجيا الخلايا الكهروضوئية. فهي تتميز بمزايا فريدة كالشفافية والمرونة وخفة الوزن. ومع التطورات الحديثة في مواد مستقبلات الضوء غير الفوليرينية وتقنيات تصنيع الأجهزة، طرأت تحسينات جوهرية على أداء الخلايا الشمسية العضوية.

كما أن اعتماد استراتيجية المكونات المتعددة في النهج الثلاثي قد زاد بشكل ملحوظ من كفاءة تحويل الطاقة (OCE) للأجهزة. ومن الواضح أن إضافة مكون ضيف ثالث إلى النظام الثنائي المضيف أثناء بناء خلايا OSC الثلاثية له مزايا متعددة.

يمكن أن تُسهم إضافة مُكوّن ثالث مناسب في الحفاظ على سهولة تصنيع الجهاز أحادي الوصلة. ويُساعد ذلك في تحسين كثافة تيار الدائرة القصيرة (Jsc). بعد ذلك، يُمكن التحكم في البنية المجهرية وبلورية الطبقة النشطة، مما يُسهّل تفكك الإكسيتونات. ويُحسّن هذا من قيم JSC وعامل الملء (FF) ونقل الشحنة بشكلٍ ملحوظ.

تتأثر أيضًا ترتيبات مستويات الطاقة وإعادة التركيب غير الإشعاعي، مما يُحسّن جهد الدائرة المفتوحة (VOC). ويُصبح قناة نقل إضافية تُحسّن نقل الشحنات.

العوامل التي يجب مراعاتها للمكون الثالث المثالي.

• نطاق الامتصاص التكميلي
• الترتيبات المناسبة لمستويات الطاقة
• تحسين مورفولوجيا الطبقة النشطة

من المهم تصميم وتطوير مكون ثالث متوافق لتحقيق العوامل المذكورة أعلاه بفعالية، وكذلك لتحسين معلمات الطاقة الكهروضوئية لمراكز التحكم في الطاقة (OSCs).

ملاحظات الدراسات السابقة حول الجزيء الصغير المثنّى باعتباره الجزيء الثالث

تتضمن تركيبة الطبقة النشطة في الخلايا الشمسية العضوية الثلاثية غير الفوليرينية إضافة مادتين مانحتين مختلفتين. تحتوي كلتاهما على مادة مستقبلة واحدة ومادة مانحة واحدة مع مادتين مستقبلتين مختلفتين.

يمكن للمكون الثالث، مثل المواد أو البوليمرات قليلة الوحدات، أن يلعب دورًا هامًا. البحث باستخدام المواد المانحة قليلة الوحدات كمكون ثالث محدود، على الرغم من قدرتها على تحسين كفاءة الأجهزة بفعالية. وحسب الأبحاث، فإن المواد المانحة قليلة الوحدات المعالجة بالمذيبات الخضراء قادرة على تحقيق كفاءة طاقة أعلى في الخلايا الجذعية المكونة للدم الثلاثية.

في هذا البحث، صُمِّمَ ورُوِّجَ مانح جزيئي صغير مُثَنِّي (ثنائي الترابط) عن طريق ربط مانحين جزيئيين صغيرين غير متماثلين بمجموعة الفينيل. يُشار إلى مانح الجزيئي الصغير المُثَنِّي (ثنائي الترابط) باسم DSMD-βV، ويتميز بالخصائص التالية.

• يتمتع بمدى امتصاص واسع من 300 إلى 900 نانومتر.
• يحتوي على أعلى مستوى طاقة مداري جزيئي مشغول (HOMO)، -5.55 إلكترون فولت.
• قدرة قوية على التجميع من المحلول إلى حالة الفيلم

علاوةً على ذلك، اعتمد الباحثون نظام PM6:BTP-eC9 كمصفوفة ثنائية. وهذا، مع الامتصاص التكميلي للجزيئات المثنوية، يُرسي أساسًا ملائمًا كمكون ثالث لتطوير خلايا شمسية عضوية ثلاثية فعّالة.

الخلية الشمسية مقابل اللوحة الشمسية - استكشاف الاختلافات الرئيسية

الصفات التي تم تحقيقها بعد إضافة DSMD-βV

• يعزز فصل الطور للميكرومورفولوجيا الفيلمية القائمة على PM6:BTP-eC9
• تحسين نقل الشحنة وتفكك الإكسيتون
• ارتفع الأداء إلى 18.26%.

النتائج والمناقشة:استخدام جزيء صغير ثنائي الترابط لزيادة كفاءة الخلايا الجذعية المكونة للدم الثلاثية

التوليف والتوصيف من الجهاز الجديد

قام الباحثون بتصنيع مُتبرع صغير غير متماثل بمجموعة نهائية مُستبدلة بالبروم لإنشاء المركب (9). ثم استخدموا هذا المركب لتصنيع المنتج المستهدف DSMD-βV عن طريق اقترانه بالفينيل باستخدام تفاعل اقتران ستيل.

استخدم الباحثون البالاديوم (dba)2 كمحفز، والفوسفور (o-tol)3 كربيطة. المنتج المستهدف، DSMD-βV، قابل للذوبان في مذيبات الكلوروفورم (CF) والكلوروبنزين (CB). كما أنه مستقر حراريًا حتى 3 درجة مئوية، ويتعرض لفقدان طفيف في الوزن بنسبة 374% تقريبًا. تُعد هذه الصفات للمواد المستهدفة مهمة لتلبية متطلبات المعالجة أثناء تصنيع الجهاز. يوضح الشكل التالي الإجراء التركيبي التفصيلي للجزيء الصغير المثنّى DSMD-βV.

اكتشف باحثون من جامعة ولاية فلوريدا وجامعة ولاية فلوريدا أن بوليمرات اللجنين تتحكم في احتجاز ثاني أكسيد الكربون وإطلاقه وتحويله

الخصائص البصرية والكهروكيميائية

باستخدام أطياف امتصاص الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، تم تحديد الخواص البصرية لـ DSMD-βV، كما هو موضح في الشكل أدناه. البيانات المقابلة مذكورة في الجدول أدناه.

مركب	ε (M-1 cm-1)	λذروة، سول (نانومتر)	λذروة الفيلم (نانومتر)	λفيلم، بداية (نانومتر)	Eز، اختيار (إلكترون فولت)	Eهومو (إلكترون فولت)	ELUMO (إلكترون فولت)
DSMD-βV	1.20 × 105	447 , 659	536 , 744	858	1.45	-5.55	-3.55

الملاحظات

• في خانة رمز الخصم، أدخل TABBYDAY. حالة الحل، يظهر DSMD-βV نطاقًا واسعًا نطاق الامتصاص من 350 إلى 800 نانومتر مع نطاقي امتصاص مميزين.
• تشير منطقة الطول الموجي الطويل لنطاق الامتصاص إلى عمليات نقل الشحنة داخل الجزيء.
• يمكن أن يُعزى نطاق الامتصاص المميز إلى التحولات الإلكترونية الموضعية π-π*.
• معامل الامتصاص المولي الأقصى لـ DSMD-βتم تحديد V ليكون 1.20×105 م−1 سم−1 حسب قانون ليمبرجر.
• في خانة رمز الخصم، أدخل TABBYDAY. حالة الفيلم، أظهر طيف الامتصاص DSMD-βV انزياح أحمر 80 نانومتر من حالة الحل.
• كما كان هناك زيادة في شدة قمم امتصاص الطول الموجي الطويل.
• وفقًا لحافة امتصاص فيلم DSMD-βV، فإن الفجوة البصرية المحسوبة (على سبيل المثال، opt) هي 1.45 فولت.
• تم إظهار سلوك تجميع معين في DSMD-βV، ويعتقد الباحثون أنه يمكن أن ينظم مورفولوجيا الطبقة النشطة.
• خلال الأطوال الموجية من 350 إلى 570 نانومتر و640 إلى 780 نانومتر، لوحظت تكاملية امتصاص ممتازة مع PM6 وBTP-eC9.

ملاحظة سريعة - يعد التكامل الامتصاصي الممتاز أمرًا مهمًا لتحسين كثافة الدائرة القصيرة للأجهزة الثلاثية.

خلايا شمسية ثنائية الوجه من البيروفسكايت تعتمد على ETL للأجهزة المرنة: دراسة محاكاة

الأساليب المختلفة المستخدمة في التجربة

• كما قام الباحثون أيضًا بتوصيف الامتصاص المعتمد على درجة الحرارة لتقييم خصائص التجمع لـ DSMD-βV في المحلول.
• كما تم تحديد مستوى طاقة DSMD-βV بطريقة الفولتميتر الدوري (CV).
• كان مستوى HOMO حوالي -5.55 إلكترون فولت وتم حسابه بواسطة منحنيات CV على أساس إمكانية بداية عملية الأكسدة الأولية.
• تم استخدام إمكانية الاختزال الأولية لاستنتاج أدنى مستوى للمدار الجزيئي غير المشغول (LUMO)، والذي تم تقديره عند -3.55 إلكترون فولت.
• علاوة على ذلك، تم وضع مستويات الطاقة HOMO وLUMO بين PM6 وBTP-eC9 مما سمح بترتيب مستوى الطاقة المتتالي في نظام المزيج الثلاثي.

تحليل مورفولوجيا

توجد علاقة وثيقة ومباشرة بين بنية الطبقة النشطة والأداء العام للجهاز ، إذ تلعب دورًا هامًا في تحديد كفاءة الخلايا الشمسية العضوية. ولإدراك تأثير إضافة DSMD-βV على الخصائص المورفولوجية، أجرى الباحثون دراسة شاملة لثلاثة أنواع مختلفة من الأغشية. وكان الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو فهم التأثيرات الناتجة عن إضافة DSMD-βV فهمًا معمقًا.

الملاحظات

• وفقًا للنتائج التي تم التوصل إليها بواسطة مجهر القوة الذرية (AFM)، يمكن تنظيم خاصية الشكل المجهري للطبقة النشطة بشكل فعال عن طريق إضافة DSMD-βV في النظام الثنائي.
• استخدم خشونة الجذر التربيعي المتوسط (RMS) للأفلام الثلاثة كانت: DSMD-βV:BTP-eC9 (1.43)، PMT:BTP-eC9 (1.48) وPM6:DSMD-βV:BTP-eC9 (1.28). ملاحظة سريعة:تشير قيم RMS الصغيرة إلى المزج المتوافق لـ DSMD-βV مع النظام المضيف.
• A تم ملاحظة مورفولوجيا السطح الموحد في فيلم المزيج الثلاثي القائم على PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 من الفيلم القائم على PM6:BTP-eC9.
• وفقًا للمجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، فصل الطور الواضح تمت ملاحظة الشكل في الفيلم المعتمد على DSMD-βV:BTP-eC9.
• بعد إدخال جزيء الضيف DSMD-βV في نظام PM6:BTP-eC9 المضيف، كان هناك تعزيز في فصل الطور من فيلم يعتمد على PM6:DSMD-βV:BTP-eC9.
• هناك احتمال ل تحسين تفكك الإكسيتون ونقل الشحنة لتحسين JSC و FF مع تحسين التراص وفصل الطور.

وبناءً على هذه المعلومات، أثبت الباحثون أن الجزيء الضيف لديه القدرة على العمل كمكوّن ثالث، وتحديدًا في تنظيم الخصائص المجهرية للطبقة النشطة.

المختبر الوطني للطاقة المتجددة يطور شفرات توربينات الرياح من الراتنج القابل لإعادة التدوير

أداء الخلايا الكهروضوئية بعد إضافة 3^rd مركب

استخدم الباحثون طبقات نشطة مختلفة لتصنيع ودراسة أجهزة الخلايا الشمسية العضوية، وهي PM6:DSMD-βV:BTP-eC9، وPM6:BTP-eC9، وDSMD-βV:BTP-eC9. يتكون هيكل الجهاز من ITO/PEDOT:PSS/الطبقة النشطة/PDINN/Ag. يوضح الشكل التالي بيانات أداء الخلايا الشمسية الكهروضوئية ومنحنيات المشروع المشترك.

الأجهزة	VOC (V)	JSC (مللي أمبير سم-2)	يا إلهي (٪)	PCEa (٪)	Jكلس (مللي أمبير سم-2)
DSMD-βV:BTP-eC9	0.817	5.22	33.36	1.42 (1.31 ± 0.11)	5.51
PM6:BTP-eC9	0.838	27.02	77.82	17.63 (17.53 ± 0.09)	26.33
PM6:DSMD-βV:BTP-eC9	0.846	27.46	78.59	18.26 (18.15 ± 0.06)	26.54

الملاحظات

• مع إضافة جزيء الضيف إلى نظام PM6:BTP-eC9، حدثت تحسينات في FF، وVOC، وJSC.
• تظهر المركبات العضوية المتطايرة تحسنات بسبب انخفاض مستويات طاقة HOMO.
• بالإضافة إلى ذلك، تم تحسين JSC وFF بفضل تحسين بنية الطبقة النشطة ومستويات الطاقة.
• وصلت كفاءة تحويل الطاقة (PCE) لجهاز PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 إلى 18.26%.
• تمكنت الأجهزة المعتمدة على DSMD-βV:BTP-eC9 وPM6:DSMD-βV:BTP-eC9 من تحقيق منحنيات الكفاءة الكمية الخارجية (EQE) عبر طول موجي يتراوح بين 300-1000 نانومتر، كما هو موضح في الشكل أدناه.
• أظهرت منحنيات EQE للأجهزة الثلاثية PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 محيطات منحنى أعلى من الأجهزة القائمة على PM6:BTP-eC9. يشير هذا إلى تحسين قدرة الجهاز على التقاط الفوتونات، مما يؤدي إلى تحسين JSC.

علاوةً على ذلك، لفهم تعزيز FF وJSC في OSC الثلاثي، حلل الباحثون فيزياء الجهاز. ثم، من خلال ربط المركبات العضوية المتطايرة (VOC) وتغير Plight، بحث الباحثون في إعادة التركيب بمساعدة الفخاخ.

• بشكل عام، أدى إدخال DSMD-βV إلى تقليل إعادة التركيب بمساعدة الفخ بشكل فعال لتحقيق JSC متفوق.
• ومن ثم فإن قدرات نقل الشحنة أثرت على أداء الجهاز.
• تم الحصول على FF وPCE وJSC أعلى بسبب الحركة المتوازنة والمرضية للأجهزة الثلاثية.
• مع إدخال DSMD-βV، يُمكن تعزيز تثبيط إعادة تركيب الشحنة أثناء نقلها. هذا من شأنه أن يُحسّن خلايا JSC بشكل أكبر.
• لوحظ عمر ناقل طويل في جهاز DSMD-βV:BTP-eC9، لكن قدرته على استخلاص الناقلات بطيئة. هذا يُسبب إعادة التركيب ويؤدي إلى ضعف أداء الخلايا الكهروضوئية.

مولد نانوي مستدام من الكبريت المُعاد تدويره من نفايات البترول

اختبارات التيار الضوئي العابر (TPC) والجهد الضوئي العابر (TPV)

قام الباحثون بدراسة وقت استخراج الناقل وعمر الناقل من خلال اختبارات TPC و TPV.

الملاحظات

أنواع الأفلام	DSMD-βV:BTP-eC9	PM6:BTP-eC9	PM6:DSMD-βV:BTP-eC9
منحنيات TPC – وقت الاستخراج (ts)	0.77 μs	0.62 μs	0.66 μs
منحنيات TPV – وقت الاستخراج (ts)	0.50 μs	0.24 μs	0.23 μs

خاتمة

لذلك، استنتج الباحثون أن مادة DSMD-βV المانحة المُطوّرة حديثًا، والمُكوّنة من مزيج من جزيئين صغيرين مانحين، تتميز بخصائص مُتنوعة. فهي تتميز بنطاق امتصاص واسع، وقدرة تجميع عالية، ومستويات طاقة HOMO منخفضة. وبالمقارنة مع أجهزة BTP-eC2 وPM9، يتميز هذا المُطوّر الجديد بامتصاص مُتكامل وترتيب مُستويات الطاقة. علاوة على ذلك، يُحسّن هذا المُطوّر الأداء بنسبة تصل إلى 6%، وهي نسبة أعلى من الأجهزة الثنائية. وبالتالي، يُمكن الاستنتاج أن المادة المانحة ثنائية الجزيئات الصغيرة لديها القدرة على جعل خلايا OSC الثلاثية أكثر كفاءة.

المصدر : جزيء مانح صغير ثنائي التكوين يُمكّن الخلايا الشمسية العضوية الثلاثية عالية الكفاءة