Para lograr células solares orgánicas (OSC) de alto rendimiento, las OSC ternarias son una opción viable y eficiente. Es fundamental desarrollar un tercer componente más eficiente para lograr una OSC ternaria eficiente. Los investigadores desarrollaron una nueva molécula para este estudio y descubrieron que una molécula pequeña dimerizada puede aumentar la eficiencia de las OSC ternarias.
La nueva molécula muestra una absorción complementaria, junto con niveles de energía que pueden coincidir con PM5 y BTP-eC9. Además, también puede controlar la disposición PM6:BTP-eC9. El uso de PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 en el dispositivo ternario produce una mejor disociación de excitones, una menor recombinación y un mejor transporte de carga. Esto condujo a una mayor eficiencia de conversión de energía, cercana al 18.26 %. Este nivel supera la eficiencia previa del PM6:BTP-eC9 binario, que era del 17.63 %.
Objetivo del estudio:Demostrar el potencial de los donantes de moléculas pequeñas dimerizadas para células solares orgánicas ternarias (OSC).
Una pequeña molécula dimerizada puede aumentar la eficiencia de los OSC ternarios: ¿cómo?
Los investigadores prefieren las células solares orgánicas como Nueva entrada prometedora en tecnología fotovoltaica. Presenta ventajas distintivas como translucidez, flexibilidad y diseño ligero. Con los recientes avances en materiales aceptores no fulerenos y la tecnología de preparación de dispositivos, se han producido mejoras esenciales en el rendimiento fotovoltaico de los OSC.
Además, la adopción de una estrategia multicomponente en el enfoque ternario ha incrementado significativamente la eficiencia de conversión de potencia (OCE) de los dispositivos. Es evidente que la adición de un tercer componente huésped al sistema binario anfitrión durante la construcción de OSC ternarios ofrece múltiples ventajas.
La adición de una tercer componente apropiado Permite mantener el mecanizado simple del dispositivo de unión simple. Esto contribuye a lograr una mejor densidad de corriente de cortocircuito (Jsc). Posteriormente, es posible controlar la micromorfología y la cristalinidad de la capa activa. Esto facilita la disociación de excitones. Mejora los excelentes valores de Jsc, factor de llenado (FF) y transporte de carga.
La disposición de los niveles de energía y la recombinación no radiativa también se ven afectadas y optimizan el voltaje de circuito abierto (VOC). Este se convierte en un canal de transporte adicional que puede mejorar la transferencia de carga.
Factores a considerar para un 3er componente ideal.
- Rango de absorción complementario
- Disposiciones adecuadas de los niveles de energía
- Optimización de la morfología de la capa activa
Es importante diseñar y desarrollar un tercer componente compatible para implementar eficazmente los factores mencionados. Además, es importante optimizar los parámetros fotovoltaicos de los OSC.
Observación de estudios previos Acerca de la molécula pequeña dimerizada como tercera molécula
La formulación de la capa activa en OSC ternarios no fulerenos implica la adición de dos materiales donantes diferentes. Ambos tienen un único aceptor y un único donante con 2 materiales aceptores diferentes.
El tercer componente, como los materiales oligoméricos o polímeros, puede desempeñar un papel importante. La investigación con material donante oligomérico como tercer componente es limitada, a pesar de que puede mejorar eficazmente la eficiencia de los dispositivos. Según investigaciones, los materiales donantes oligoméricos procesados con solvente verde pueden alcanzar un mayor PCE en los OSC ternarios.
En esta investigación, se diseñó y sintetizó un donante de moléculas pequeñas dimerizado mediante la conexión de dos donantes asimétricos de moléculas pequeñas con el grupo vinilo. El donante de moléculas pequeñas dimerizado se denomina DSMD-βV y presenta las siguientes características.
- Tiene un amplio rango de absorción de 300-900 nm.
- Tiene el nivel de energía orbital molecular ocupado (HOMO) más alto, -5.55 eV.
- Fuerte capacidad de agregación desde la solución hasta el estado de película.
Además, los investigadores adoptaron el sistema PM6:BTP-eC9 como matriz binaria. Este, con la absorción complementaria de moléculas dimerizadas, establece una base favorable como tercer componente para el desarrollo de células solares orgánicas ternarias eficientes.
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Cualidades logradas tras la adición de DSMD-βV
- Mejora la separación de fases de la micromorfología de la película basada en PM6:BTP-eC9
- Mejorar el transporte de carga y la disociación de excitones
- El rendimiento aumentó al 18.26%.
Resultados y discusión:Uso de moléculas pequeñas dimerizadas para aumentar la eficiencia de las OSC ternarias
Síntesis y caracterización del nuevo dispositivo
Los investigadores sintetizaron un pequeño donante asimétrico con un grupo terminal sustituido con bromo para crear el compuesto (9). Posteriormente, utilizaron este compuesto para sintetizar el producto objetivo, DSMD-βV, acoplándolo con vinilo mediante una reacción de acoplamiento de Stille.
Los investigadores utilizaron Pd₂ (dba)₃ como catalizador y P₂ (o-tol)₃ como ligando. El producto objetivo, DSMD-βV, es soluble en cloroformo (CF₂) y clorobenceno (CB₂). Además, es termodinámicamente estable hasta 2 °C y presenta una pérdida de peso mínima, de aproximadamente el 3 %. Estas cualidades de los materiales objetivo son importantes para cumplir con los requisitos de procesamiento durante la fabricación del dispositivo. La siguiente figura muestra el procedimiento sintético detallado para el donante de moléculas pequeñas dimerizado, DSMD-βV.
Propiedades ópticas y electroquímicas
Mediante espectros de absorción UV-vis, se determinaron las propiedades ópticas del DSMD-βV, como se muestra en la figura siguiente. Los datos correspondientes se mencionan en la tabla a continuación.
| molécula | ε (M-1 cm-1) | λpico, sol (Nuevo Méjico) | λpico, película (Nuevo Méjico) | λpelícula, inicio (Nuevo Méjico) | Eg, optar (eV) | EHOMO (eV) | ELUZ (eV) |
| DSMD-βV | × 1.20 105 | 447, 659 | 536, 744 | 858 | 1.45 | -5.55 | -3.55 |
Observaciones
- En el estado de solución, DSMD-βV muestra una amplia rango de absorción de 350-800 nm con 2 bandas de absorción características.
- La región de longitud de onda larga del rango de absorción indicó procesos de transferencia de carga intramolecular.
- La banda de absorción distintiva se puede atribuir a las transiciones electrónicas π-π* localizadas.
- El coeficiente de absorción molar máximo de DSMD-βV está decidido a ser 1.20×105 M−1 cm−1 por la ley de Lemberger.
- En el estado de la película, el espectro de absorción DSMD-βV mostró una corrimiento al rojo de 80 nm que en el estado de solución.
- Además, se observó un aumento en la intensidad de los picos de absorción de longitud de onda larga.
- Según el borde de absorción de la película DSMD-βV, el espacio óptico calculado (Eg, opt) es 1.45 eV.
- Se exhibió un cierto comportamiento de agregación en DSMD-βV, y los investigadores creen que puede regular la morfología de la capa activa.
- Durante las longitudes de onda de 350-570 nm y 640-780 nm, se observó una excelente complementariedad de absorción con PM6 y BTP-eC9.
Nota rápida – Una excelente complementariedad de absorción es importante para mejorar la densidad de cortocircuito de los dispositivos ternarios.
Diferentes métodos utilizados en el experimento
- Los investigadores también caracterizaron la absorción dependiente de la temperatura para evaluar las propiedades de agregación de DSMD-βV en solución.
- Además, con el método de voltamperometría cíclica (CV), se determinó el nivel de energía de DSMD-βV.
- El nivel de HOMO estaba alrededor de -5.55 eV y se calculó mediante curvas CV sobre la base del potencial de inicio del proceso de oxidación inicial.
- El potencial de reducción inicial se utilizó para derivar el nivel orbital molecular desocupado (LUMO) más bajo, que se estimó en -3.55 eV.
- Además, los niveles de energía de HOMO y LUMO se posicionaron entre PM6 y BTP-eC9, lo que permitió una disposición de niveles de energía en cascada en el sistema de mezcla ternaria.
Análisis morfológico
Hay un Relación estrecha y directa entre la morfología de la capa activa y el rendimiento general del dispositivoDesempeña un papel importante en la determinación de la eficiencia de las OSC. Para comprender plenamente el impacto de la adición de DSMD-βV en las propiedades morfológicas, los investigadores realizaron un estudio exhaustivo de tres mezclas diferentes de películas. El objetivo principal fue comprender a fondo los efectos derivados de la adición de DSMD-βV.
Observaciones
- Según los resultados encontrados mediante el microscopio de fuerza atómica (AFM), la propiedad de micromorfología de la capa activa podría regularse efectivamente mediante la adición de DSMD-βV en el sistema binario.
- La rugosidad cuadrática media Los valores RMS de las tres películas fueron: DSMD-βV:BTP-eC9 (1.43), PMT:BTP-eC9 (1.48) y PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 (1.28). Nota rápida:Los pequeños valores de RMS indican la mezcla compatible de DSMD-βV con el sistema huésped.
- A Se observó una morfología superficial uniforme en la película de mezcla ternaria basada en PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 que la película basada en PM6:BTP-eC9.
- Según el microscopio electrónico de transmisión (MET), separación de fases obvia Se observó morfología en la película basada en DSMD-βV:BTP-eC9.
- Después de introducir la molécula huésped DSMD-βV en el sistema huésped PM6:BTP-eC9, se observó una mejora en la separación de fases de película basada en PM6:DSMD-βV:BTP-eC9.
- Existe la posibilidad de disociación de excitones mejorada y transporte de carga para un mejor JSC y FF con apilamiento mejorado y separación de fases.
Así, basándose en esta información, los investigadores demostraron que la molécula huésped tiene el potencial de actuar como tercer componente, específicamente en la regulación de las propiedades micromorfológicas de la capa activa.
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Rendimiento de la energía fotovoltaica tras añadir 3rd molécula
Los investigadores utilizaron diferentes capas activas para fabricar y estudiar los dispositivos de células solares orgánicas: PM6:DSMD-βV:BTP-eC9, PM6:BTP-eC9 y DSMD-βV:BTP-eC9. La estructura del dispositivo consistió en ITO/PEDOT:PSS/capa activa/PDINN/Ag. La siguiente figura representa el rendimiento fotovoltaico caracterizado y los datos de las curvas JV.
| Dispositivos | VOC (V) | JSC (mA cm-2) | FFsss (%) | PCEa (%) | Jcaballo (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 |
Observaciones
- Con la adición de la molécula invitada al sistema PM6:BTP-eC9 hubo mejoras en FF, VOC y JSC.
- VOC muestra mejoras debido a niveles más bajos de energía HOMO.
- Además, JSC y FF mejoraron debido a la optimización de la estructura de la capa activa y los niveles de energía.
- La eficiencia de conversión de energía (PCE) del dispositivo PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 alcanzó el 18.26%.
- Los dispositivos basados en DSMD-βV:BTP-eC9 y PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 lograron curvas de eficiencia cuántica externa (EQE) en una longitud de onda de 300 a 1000 nm, como se muestra en la siguiente figura.
- Las curvas EQE de los dispositivos ternarios PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 mostraron contornos más altos que los de los dispositivos basados en PM6:BTP-eC9. Esto indica una mayor capacidad de captura de fotones del dispositivo, lo que resulta en un JSC mejorado.
Además, para comprender la mejora de FF y JSC en el OSC ternario, los investigadores analizaron la física del dispositivo. Posteriormente, mediante la correlación de VOC y la variación de Plight, investigaron la recombinación asistida por trampas.
- En general, la introducción de DSMD-βV disminuyó eficazmente la recombinación asistida por trampa para lograr un JSC superior.
- Luego, las capacidades de transporte de carga influyeron en el rendimiento del dispositivo.
- Se obtuvieron mayores FF, PCE y JSC debido a la movilidad equilibrada y satisfactoria de los dispositivos ternarios.
- La introducción de DSMD-βV puede provocar una mayor supresión de la recombinación de carga durante el transporte de carga. Esto podría mejorar aún más la JSC.
- Se observa una larga vida útil de los portadores en el dispositivo DSMD-βV:BTP-eC9, pero una capacidad de extracción de portadores lenta. Esto provoca recombinación y un rendimiento fotovoltaico deficiente.
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Pruebas de fotocorriente transitoria (TPC) y fotovoltaje transitorio (TPV)
Los investigadores estudiaron el tiempo de extracción del portador y la vida útil del portador mediante pruebas TPC y TPV.
Observaciones
| Tipos de películas | DSMD-βV:BTP-eC9 | PM6:BTP-eC9 | PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 |
| Curvas TPC – Tiempo de extracción (ts) | 0.77 μs | 0.62 μs | 0.66 μs |
| Curvas TPV – Tiempo de extracción (ts) | 0.50 μs | 0.24 μs | 0.23 μs |
Conclusión
Los investigadores concluyeron que el nuevo material donante DSMD-βV, desarrollado a partir de la combinación de dos donantes de moléculas pequeñas, presenta diversas características. Presenta un amplio rango de absorción, una fuerte capacidad de agregación y bajos niveles de energía HOMO. En comparación con los dispositivos BTP-eC2 y PM9, este nuevo material presenta una absorción y una disposición de niveles de energía complementarios. Además, mejora el rendimiento hasta en un 6 %, superior al de los dispositivos binarios. Por lo tanto, se puede concluir que el donante dimérico de moléculas pequeñas tiene el potencial de aumentar la eficiencia de las OSC ternarias.
Fuente: El donante de moléculas pequeñas dimerizadas permite células solares orgánicas ternarias eficientes
