Um leistungsstarke organische Solarzellen (OSCs) zu entwickeln, sind ternäre OSCs eine praktikable und effiziente Option. Es ist wichtig, eine bessere dritte Komponente für effiziente ternäre OSCs zu entwickeln. Forscher entwickelten für diese Studie ein neues Molekül und entdeckten, dass dimerisierte kleine Moleküle die Effizienz ternärer OSCs steigern können.
Das neue Molekül zeigt eine komplementäre Absorption sowie Energieniveaus, die mit PM5 und BTP-eC9 übereinstimmen. Darüber hinaus kann es auch die PM6:BTP-eC9-Anordnung steuern. Durch die Verwendung von PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 im ternären Bauelement wird eine bessere Exzitonendissoziation, geringere Rekombination und ein verbesserter Ladungstransport erreicht. Dies führte zu einer höheren Energieumwandlungseffizienz von rund 18.26 %. Dieser Wert übertrifft die bisherige Effizienz des binären PM6:BTP-eC9 von 17.63 %.
Ziel der Studie: Demonstration des Potenzials dimerisierter kleiner Moleküldonatoren für ternäre organische Solarzellen (OSCs).
Dimerisierte kleine Moleküle können die Effizienz ternärer OSCs steigern: Wie?
Forscher bevorzugen organische Solarzellen als vielversprechender Neuzugang in der PV-Technologie. Sie bietet besondere Vorteile wie Lichtdurchlässigkeit, Flexibilität und leichtes Design. Mit den jüngsten Fortschritten in Nicht-Fulleren-Akzeptormaterialien und der Gerätevorbereitungstechnologie kam es zu wesentlichen Verbesserungen der PV-Leistung von OSCs.
Darüber hinaus hat die Einführung einer Mehrkomponentenstrategie im ternären Ansatz die Leistungsumwandlungseffizienz (OCE) der Geräte deutlich erhöht. Es ist offensichtlich, dass das Hinzufügen einer dritten Gastkomponente zum binären Hostsystem beim Aufbau ternärer OSCs mehrere Vorteile bietet.
Die Zugabe eines passende 3. Komponente Die einfache Bearbeitung des Single-Junction-Bauelements bleibt erhalten. Dies trägt zusätzlich zu einer besseren Kurzschlussstromdichte (Jsc) bei. Anschließend können die Mikromorphologie und Kristallinität der aktiven Schicht kontrolliert werden. Dies erleichtert die Dissoziation von Exzitonen zusätzlich. Es verbessert hervorragende Werte für JSC, Füllfaktor (FF) und Ladungstransport.
Auch die Energieniveauanordnung und die nichtstrahlende Rekombination werden beeinflusst und optimieren die Leerlaufspannung (VOC). Es entsteht ein zusätzlicher Transportkanal, der den Ladungstransfer verbessern kann.
Zu berücksichtigende Faktoren für eine ideale 3. Komponente.
- Komplementärer Absorptionsbereich
- Geeignete Anordnung der Energieniveaus
- Optimierung der Morphologie der aktiven Schicht
Um die oben genannten Faktoren effektiv zu realisieren und die PV-Parameter der OSCs zu optimieren, ist es wichtig, eine passende dritte Komponente zu entwerfen und zu entwickeln.
Beobachtung früherer Studien Über dimerisierte kleine Moleküle als 3. Molekül
Die Formulierung der aktiven Schicht in ternären Nicht-Fulleren-OSCs beinhaltet die Zugabe von zwei verschiedenen Donormaterialien. Sie beide haben einen einzigen Akzeptor und einen einzigen Donor mit 2 verschiedenen Akzeptormaterialien.
Die dritte Komponente, wie oligomere Materialien oder Polymere, kann eine wichtige Rolle spielen. Die Forschung mit oligomerem Donormaterial als dritter Komponente ist begrenzt, obwohl es die Effizienz der Geräte effektiv verbessern kann. Wie untersucht wurde, können mit grünem Lösungsmittel verarbeitete oligomere Donormaterialien einen höheren PCE in ternären OSCs erreichen.
Im Rahmen dieser Forschung wurde ein dimerisierter kleiner Moleküldonor entwickelt und synthetisiert, indem zwei asymmetrische kleine Moleküldonoren mit der Vinylgruppe verbunden wurden. Der dimerisierte kleine Moleküldonor wird als DSMD-βV bezeichnet und weist die folgenden Eigenschaften auf.
- Es hat einen breiten Absorptionsbereich von 300–900 nm.
- Hat das höchste Energieniveau des besetzten Molekülorbitals (HOMO), -5.55 eV.
- Starke Aggregationsfähigkeit von der Lösung zum Filmzustand
Darüber hinaus verwendeten die Forscher das PM6:BTP-eC9-System als binäre Matrix. Mit der komplementären Absorption dimerisierter Moleküle bildet dies eine günstige Grundlage als dritte Komponente für die Entwicklung effizienter ternärer organischer Solarzellen.
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Erreichte Eigenschaften nach Zugabe von DSMD-βV
- Verbessert die Phasentrennung der PM6:BTP-eC9-basierten Filmmikromorphologie
- Verbessern Sie den Ladungstransport und die Exzitonendissoziation
- Die Leistung stieg auf 18.26 %.
Resultate und Diskussion: Verwendung dimerisierter kleiner Moleküle zur Steigerung der Effizienz ternärer OSCs
Synthese und Charakterisierung des neuen Gerätes
Die Forscher synthetisierten einen asymmetrischen kleinen Donor mit einer Brom-substituierten Endgruppe, um die Verbindung (9) herzustellen. Anschließend verwendeten sie diese Verbindung, um das Zielprodukt DSMD-βV zu synthetisieren, indem sie es mittels einer Stille-Kupplungsreaktion mit Vinyl kuppelten.
Die Forscher verwendeten Pd2(dba)3 als Katalysator und P(o-tol)3 als Ligand. Das Zielprodukt DSMD-βV ist in Chloroform (CF) und Chlorbenzol (CB) löslich. Zudem ist es thermodynamisch bis 374 °C stabil und weist einen sehr geringen Gewichtsverlust von etwa 5 % auf. Diese Eigenschaften der Zielmaterialien sind wichtig, um die Verarbeitungsanforderungen bei der Geräteherstellung zu erfüllen. Die folgende Abbildung zeigt das detaillierte Syntheseverfahren für den dimerisierten niedermolekularen Donor DSMD-βV.
Optische und elektrochemische Eigenschaften
Die optischen Eigenschaften von DSMD-βV wurden anhand von UV-Vis-Absorptionsspektren untersucht, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Die entsprechenden Daten sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
| Molekül | ε (M-1 cm-1) | λGipfel, Sol (Nm) | λGipfel, Film (Nm) | λFilm, Beginn (Nm) | Eg, opt (ev) | EHOMO (ev) | ELUMO (ev) |
| DSMD-βV | 1.20 × 105 | 447, 659 | 536, 744 | 858 | 1.45 | -5.55 | -3.55 |
Beobachtungen
- Im Lösungszustand, DSMD-βV zeigt eine breite Absorptionsbereich von 350-800 nm mit 2 charakteristischen Absorptionsbanden.
- Der langwellige Bereich des Absorptionsbereichs deutete auf intramolekulare Ladungstransferprozesse hin.
- Das charakteristische Absorptionsband kann den lokalisierten elektronischen π-π*-Übergängen zugeschrieben werden.
- Der maximale molare Absorptionskoeffizient von DSMD-βV wird bestimmt als 1.20 × 105 M−1 cm−1 nach dem Lembergerschen Gesetz.
- Im FilmzustandDas Absorptionsspektrum von DSMD-βV zeigte eine 80 nm Rotverschiebung als im Lösungszustand.
- Außerdem kam es zu einer Zunahme der Intensität der Absorptionsspitzen bei langen Wellenlängen.
- Gemäß der DSMD-βV-Filmabsorptionskante beträgt der berechnete optische Abstand (Eg, opt) 1.45 eV.
- Bei DSMD-βV wurde ein gewisses Aggregationsverhalten festgestellt und die Forscher gehen davon aus, dass es die Morphologie der aktiven Schicht regulieren kann.
- Bei Wellenlängen von 350–570 nm und 640–780 nm wurde eine ausgezeichnete Absorptionskomplementarität mit PM6 und BTP-eC9 beobachtet.
Schnelle Notiz – Eine ausgezeichnete Absorptionskomplementarität ist wichtig, um die Kurzschlussdichte ternärer Geräte zu verbessern.
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Verschiedene im Experiment verwendete Methoden
- Die Forscher charakterisierten außerdem die temperaturabhängige Absorption, um die Aggregationseigenschaften von DSMD-βV in Lösung zu bewerten.
- Außerdem wurde mit der Methode der zyklischen Voltammetrie (CV) das Energieniveau von DSMD-βV bestimmt.
- Das HOMO-Niveau lag bei etwa −5.55 eV und wurde anhand von CV-Kurven auf der Grundlage des Anfangspotentials des anfänglichen Oxidationsprozesses berechnet.
- Aus dem anfänglichen Reduktionspotential wurde das niedrigste unbesetzte Molekülorbitalniveau (LUMO) abgeleitet, das auf −3.55 eV geschätzt wurde.
- Darüber hinaus wurden die HOMO- und LUMO-Energieniveaus zwischen PM6 und BTP-eC9 positioniert, was eine kaskadenartige Anordnung der Energieniveaus im ternären Mischungssystem ermöglichte.
Morphologieanalyse
Da ist ein enge und direkte Beziehung zwischen der Morphologie der aktiven Schicht und der Gesamtleistung des GerätsEs spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Effizienz der OSCs. Um die Auswirkungen der Zugabe von DSMD-βV auf die morphologischen Eigenschaften vollständig zu verstehen, führten die Forscher eine umfassende Untersuchung der drei verschiedenen Filmmischungen durch. Hauptziel war es, die Effekte der Zugabe von DSMD-βV tiefgreifend zu verstehen.
Beobachtungen
- Den Ergebnissen der Rasterkraftmikroskopie (AFM) zufolge konnte die mikromorphologische Eigenschaft der aktiven Schicht durch die Zugabe von DSMD-βV im binären System wirksam reguliert werden.
- Der quadratischer Mittelwert der Rauheit (RMS) der drei Filme waren: DSMD-βV:BTP-eC9 (1.43), PMT:BTP-eC9 (1.48) und PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 (1.28). Schnelle Notiz: Die kleinen RMS-Werte weisen auf die kompatible Mischung von DSMD-βV mit dem Wirtssystem hin.
- A Es wurde eine einheitliche Oberflächenmorphologie beobachtet im auf PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 basierenden ternären Mischungsfilm als im auf PM6:BTP-eC9 basierenden Film.
- Laut Transmissionselektronenmikroskop (TEM) deutliche Phasentrennung Die Morphologie wurde in einem auf DSMD-βV:BTP-eC9 basierenden Film beobachtet.
- Nach der Einführung des Gastmoleküls DSMD-βV in das Wirtssystem PM6:BTP-eC9 kam es zu einer Verbesserung der Phasentrennung eines auf PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 basierenden Films.
- Es besteht die Möglichkeit verbesserte Exzitonendissoziation und Ladungstransport für besseres JSC und FF mit verbesserter Stapelung und Phasentrennung.
Auf der Grundlage dieser Informationen zeigten die Forscher, dass das Gastmolekül das Potenzial hat, als dritte Komponente zu dienen und zwar insbesondere bei der Regulierung der mikromorphologischen Eigenschaften der aktiven Schicht.
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Leistung der Photovoltaik nach dem Hinzufügen von 3rd Molekül
Die Forscher verwendeten verschiedene aktive Schichten zur Herstellung und Untersuchung der organischen Solarzellenbauelemente, nämlich PM6:DSMD-βV:BTP-eC9, PM6:BTP-eC9 und DSMD-βV:BTP-eC9. Die Bauelementstruktur bestand aus ITO/PEDOT:PSS/aktiver Schicht/PDINN/Ag. Die folgende Abbildung zeigt die charakterisierten Daten zur PV-Leistung und den JV-Kurven.
| Geräte | VOC (V) | JSC (mA cm-2) | FFsss (%) | PCEa (%) | JKalk (mA cm-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 |
Beobachtungen
- Durch die Zugabe von Gastmolekülen zum PM6:BTP-eC9-System kam es zu Verbesserungen bei FF, VOC und JSC.
- VOC zeigt Verbesserungen aufgrund niedrigerer HOMO-Energieniveaus.
- Darüber hinaus wurden JSC und FF durch die Optimierung der Struktur der aktiven Schicht und der Energieniveaus verbessert.
- Der Wirkungsgrad (PCE) des PM6:DSMD-βV:BTP-eC9-Geräts erreichte 18.26 %.
- Auf DSMD-βV:BTP-eC9 und PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 basierende Geräte erreichten externe Quanteneffizienzkurven (EQE) über eine Wellenlänge von 300–1000 nm, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
- Die EQE-Kurven ternärer PM6:DSMD-βV:BTP-eC9-Geräte zeigten höhere Kurvenkonturen als PM6:BTP-eC9-basierte Geräte. Dies deutet auf eine verbesserte Photoneneinfangfähigkeit des Geräts hin, was zu einer verbesserten JSC führt.
Um die FF- und JSC-Verstärkung in ternären OSCs zu verstehen, analysierten die Forscher die Physik des Geräts. Anschließend untersuchten sie durch Korrelation von VOC und variierendem Plight die trap-unterstützte Rekombination.
- Insgesamt verringerte die Einführung von DSMD-βV die trap-unterstützte Rekombination wirksam und führte zu einer besseren JSC.
- Dann beeinflussten die Ladungstransportfähigkeiten die Leistung des Geräts.
- Aufgrund der ausgewogenen und zufriedenstellenden Mobilität der ternären Geräte wurden höhere FF-, PCE- und JSC-Werte erzielt.
- Durch die Einführung von DSMD-βV kann die Ladungsrekombination während des Ladungstransports stärker unterdrückt werden. Dies könnte die JSC weiter verbessern.
- Im DSMD-βV:BTP-eC9-Gerät wird eine lange Trägerlebensdauer beobachtet, jedoch eine langsame Trägerextraktionsfähigkeit. Dies führt zu Rekombination und führt zu einer schlechten PV-Leistung.
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Tests für transienten Fotostrom (TPC) und transiente Fotospannung (TPV)
Die Forscher untersuchten die Trägerextraktionszeit und die Trägerlebensdauer durch TPC- und TPV-Tests.
Beobachtungen
| Arten von Filmen | DSMD-βV:BTP-eC9 | PM6:BTP-eC9 | PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 |
| TPC-Kurven – Extraktionszeit (ts) | 0.77 μs | 0.62 μs | 0.66 μs |
| TPV-Kurven – Extraktionszeit (ts) | 0.50 μs | 0.24 μs | 0.23 μs |
Fazit
Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass das neu entwickelte Donormaterial DSMD-βV, das aus der Kombination zweier kleiner Moleküldonoren entstand, verschiedene Eigenschaften aufweist. Es verfügt über einen breiten Absorptionsbereich, eine starke Aggregationsfähigkeit und niedrige HOMO-Energieniveaus. Im Vergleich zu den Bauelementen BTP-eC2 und PM9 weist das neu entwickelte Material eine komplementäre Absorptions- und Energieniveauanordnung auf. Darüber hinaus führt es zu einer Leistungssteigerung von bis zu 6 %, die höher ist als bei binären Bauelementen. Daher kann geschlussfolgert werden, dass der dimere kleine Moleküldonor das Potenzial hat, ternäre OSCs effizienter zu machen.
Quelle: Dimerisierter kleiner Moleküldonor ermöglicht effiziente ternäre organische Solarzellen
