Dimeroitu pieni molekyyli saavuttaa 18.12 %:n tehokkuuden kolmikomponenttisissa orgaanisissa aurinkokennoissa

Tehokkaiden orgaanisten aurinkokennojen (OSC) aikaansaamiseksi kolmiosaiset OSC:t ovat käyttökelpoinen ja tehokas vaihtoehto. On tärkeää kehittää parempi kolmas komponentti tehokkaalle kolmiosaiselle OSC:lle. Tutkijat kehittivät uuden molekyylin tätä tutkimusta varten ja havaitsivat, että dimeroitu pieni molekyyli voi lisätä kolmikomponenttien OSC:iden tehokkuutta.

Uusi molekyyli osoittaa täydentävää absorptiota sekä energiatasoja, jotka vastaavat PM5:tä ja BTP-eC9:ää. Lisäksi se voi myös ohjata PM6:BTP-eC9-järjestelyä. Parempi eksitonidissosiaatio, pienempi rekombinaatio ja parempi varauksen kuljetus tapahtuu käyttämällä PM6:DSMD-βV:BTP-eC9:ää kolmiosaisessa laitteessa. Tämä johti edelleen korkeampaan tehon muunnoshyötysuhteeseen, noin 18.26 %. Tämä taso ylittää aiemman binaarisen PM6:BTP-eC9:n tehokkuuden, joka oli 17.63 %.

Tutkimuksen tavoite: Havainnollistaa dimeroituneiden pienmolekyyliluovuttajien potentiaalia kolmikomponenttisille orgaanisille aurinkokennoille (OSC).

Dimeroitu pieni molekyyli voi lisätä kolmiosaisten OSC:iden tehokkuutta: miten?

Tutkijat suosivat orgaanisia aurinkokennoja mm lupaava uusi tulokas PV-tekniikassa. Sillä on erottuvia etuja, kuten läpikuultavuus, joustavuus ja kevyt muotoilu. Viimeaikaisten edistysten myötä ei-fullereeni-akseptorimateriaalit ja laitteiden valmistelutekniikka, OSC:iden PV-suorituskykyyn on tehty olennaisia ​​parannuksia.

Myös monikomponenttistrategian ottaminen käyttöön kolmikomponenttisessa lähestymistavassa on merkittävästi lisännyt laitteiden tehonmuunnostehokkuutta (OCE). On ilmeistä, että kolmannen vieraskomponentin lisäämisellä isäntäbinaarijärjestelmään ternaarisia OSC:itä rakennettaessa on useita etuja.

Lisätään an sopiva kolmas komponentti pystyy ylläpitämään yhden liitoslaitteen yksinkertaisen koneistuksen. Tämä auttaa edelleen saavuttamaan paremman oikosulkuvirran tiheyden (Jsc). Jälkeenpäin on mahdollista kontrolloida aktiivisen kerroksen mikromorfologiaa ja kiteisyyttä. Tämä helpottaa edelleen eksitonien dissosiaatiota. Se parantaa JSC:n, täyttökertoimen (FF) ja latausten kuljetuksen erinomaisia ​​arvoja.

Myös energiatason järjestelyt ja ei-säteilyllinen rekombinaatio vaikuttavat ja optimoivat avoimen piirin jännitteen (VOC). Siitä tulee lisäkuljetuskanava, joka voi parantaa maksun siirtoa.

Ihanteellisen kolmannen komponentin kannalta huomioon otettavat tekijät.

• Täydentävä absorptioalue
• Energiatasojen sopivat järjestelyt
• Aktiivinen kerroksen morfologian optimointi

On tärkeää suunnitella ja kehittää yhteensopiva kolmas komponentti, jotta yllä mainitut tekijät voidaan toteuttaa tehokkaasti. Myös OSC:iden PV-parametrien optimoimiseksi.

Aikaisempien tutkimusten havainto Tietoja dimeroidusta pienestä molekyylistä kolmantena molekyylinä

Aktiivisen kerroksen formulointi kolmikomponenttisissa ei-fullereeni-OSC:issä sisältää 2 erilaisen luovuttajamateriaalin lisäämisen. Ne molemmilla on yksi vastaanottaja ja yksi luovuttaja kahdella eri akseptorimateriaalilla.

Kolmannella komponentilla, kuten oligomeerisillä materiaaleilla tai polymeereillä, voi olla tärkeä rooli. Oligomeerisen donorimateriaalin 3. komponentin kanssa tutkiminen on rajallista, vaikka se voi tehokkaasti parantaa laitteiden tehokkuutta. Kuten on tutkittu, vihreällä liuottimella käsitellyt oligomeeriset luovuttajamateriaalit pystyvät saavuttamaan korkeamman PCE:n kolmikomponenttisissa OSC:issä.

Tässä tutkimuksessa suunniteltiin ja syntetisoitiin dimeroitu pienmolekyyliluovuttaja yhdistämällä 2 epäsymmetristä pienmolekyyliluovuttajaa vinyyliryhmään. Dimeroitunutta pienmolekyyliluovuttajaa kutsutaan DSMD-βV:ksi, ja sillä on seuraavat ominaisuudet.

• Sillä on laaja absorptioalue 300-900 nm.
• Sillä on korkein varatun molekyylin kiertoradan (HOMO) energiataso, -5.55 eV.
• Vahva aggregaatiokyky liuoksesta kalvotilaan

Lisäksi tutkijat ottivat käyttöön PM6:BTP-eC9-järjestelmän binäärimatriisina. Joka dimerisoituneiden molekyylien täydentävän absorption kanssa luo suotuisan perustan 3. komponentiksi tehokkaiden kolmikomponenttisten orgaanisten aurinkokennojen kehittämiselle.

Aurinkokenno vs aurinkopaneeli – Tutustu tärkeimpiin eroihin

Ominaisuudet saavutettu DSMD-βV:n lisäämisen jälkeen

• Parantaa PM6:BTP-eC9-pohjaisen kalvon mikromorfologian faasierottelua
• Paranna varauksen kuljetusta ja eksitonidissosiaatiota
• Tulos nousi 18.26 prosenttiin.

Tulokset ja keskustelu: Dimeroidun pienen molekyylin käyttäminen kolmiosaisten OSC:iden tehokkuuden lisäämiseen

Synteesi ja karakterisointi Uudesta laitteesta

Tutkijat syntetisoivat epäsymmetrisen pienen luovuttajan bromilla substituoidulla pääteryhmällä yhdisteen (9) luomiseksi. Sitten he käyttivät tätä yhdistettä kohdetuotteen DSMD-βV syntetisoimiseen kytkemällä se vinyyliin käyttämällä Stille-kytkentäreaktiota.

Tutkijat käyttivät Pd2 (dba) 3:a katalyyttinä ja P (o-tol) 3:a ligandina. Kohdetuote DSMD-βV liukenee kloroformin (CF) ja klooribentseenin (CB) liuottimiin. Lisäksi se on termodynaamisesti stabiili jopa 374 °C:ssa ja sen painonpudotus on hyvin vähäinen, noin 5 %. Nämä kohdemateriaalien ominaisuudet ovat tärkeitä, jotta ne täyttävät prosessointivaatimukset laitteen valmistuksen aikana. Seuraava kuva esittää yksityiskohtaisen synteettisen menetelmän dimeroidulle pienmolekyyliluovuttajalle DSMD-βV.

FSMU-FSU:n tutkijat löysivät ligniinipolymeereja hiilidioksidin talteenoton, vapautumisen ja muuntamisen hallitsemiseksi

Optiset ja sähkökemialliset ominaisuudet

UV-vis-absorptiospektrejä käyttämällä suoritettiin DSMD-βV:n optinen ominaisuus, kuten alla olevasta kuvasta ilmenee. Vastaavat tiedot on mainittu alla olevassa taulukossa.

molekyyli	ε (M-1 cm-1)	λhuippu, sol (Nm)	λhuippu, elokuva (Nm)	λelokuva, alku (Nm)	Eg, opt (eV)	EHOMO (eV)	ELUMO (eV)
DSMD-βV	1.20 × 105	447, 659	536, 744	858	1.45	-5.55	-3.55

Havainnot

• In ratkaisun tilaDSMD-βV näyttää laajan absorptioalue 350-800 nm 2 ominaisella absorptionauhalla.
• Absorptioalueen pitkän aallonpituusalue osoitti molekyylinsisäisiä varauksensiirtoprosesseja.
• Erottuva absorptiokaista voidaan selittää paikallisten π-π* elektronisten siirtymien ansioksi.
• DSMD:n suurin molaarinen absorptiokerroinβV on päättänyt olla 1.20 × 105 M-1 cm-1 Lembergerin lain mukaan.
• In elokuvan tila, absorptiospektri DSMD-βV osoitti a 80 nm punasiirtymä kuin liuostilassa.
• Myös pitkän aallonpituuden absorptiohuippujen intensiteetti kasvoi.
• DSMD-βV-kalvon absorptioreunan mukaan laskettu optinen rako (esim. opt) on 1.45 eV.
• Tietty aggregaatiokäyttäytyminen ilmeni DSMD-βV:ssä, ja tutkijat uskovat, että se voi säädellä aktiivisen kerroksen morfologiaa.
• Aallonpituuksilla 350-570 nm ja 640-780 nm havaittiin erinomainen absorptiokomplementaarisuus PM6:lla ja BTP-eC9:llä.

Quick Note – Erinomainen absorptiokomplementaarisuus on tärkeää kolmiosaisten laitteiden oikosulkutiheyden parantamiseksi.

ETL-pohjaiset bifacial perovskite aurinkokennot joustaviin laitteisiin: Simulaatiotutkimus

Kokeessa käytetyt erilaiset menetelmät

• Tutkijat luonnehtivat myös lämpötilasta riippuvaa absorptiota arvioidakseen DSMD-βV:n aggregaatio-ominaisuuksia liuoksessa.
• Myös syklisellä voltammetriamenetelmällä (CV) määritettiin DSMD-βV:n energiataso.
• HOMO-taso oli noin -5.55 eV ja se laskettiin CV-käyrillä alkuperäisen hapetusprosessin alkamispotentiaalin perusteella.
• Alkupelkistyspotentiaalia käytettiin alimman vapaan molekyyliorbitaalin (LUMO) johtamiseen, jonka arvioitiin olevan -3.55 eV.
• Lisäksi HOMO- ja LUMO-energiatasot sijoitettiin PM6:n ja BTP-eC9:n väliin, mikä mahdollisti kaskadienergiatason järjestelyn kolmiosaisessa sekoitusjärjestelmässä.

Morfologinen analyysi

Tuolla on läheinen ja suora yhteys aktiivisen kerroksen morfologian ja laitteen yleisen suorituskyvyn välillä. Sillä on tärkeä rooli OSC:iden tehokkuuden määrittämisessä. Ymmärtääkseen täysin DSMD-βV:n lisäämisen vaikutuksen morfologisiin ominaisuuksiin tutkijat suorittivat kattavan tutkimuksen kolmesta eri kalvoseoksesta. Päätavoitteena tämän takana oli saada syvällinen käsitys DSMD-βV:n lisäyksen vaikutuksista.

Havainnot

• Atomivoimamikroskoopilla (AFM) saatujen tulosten mukaan aktiivisen kerroksen mikromorfologisia ominaisuuksia voitaisiin säädellä tehokkaasti lisäämällä DSMD-βV:tä binäärijärjestelmään.
• neliön keskiarvon karheus (RMS) kolmesta kalvosta olivat: DSMD-βV:BTP-eC9 (1.43), PMT:BTP-eC9 (1.48) ja PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 (1.28). Quick Note: Pienet RMS-arvot osoittavat DSMD-βV:n yhteensopivan sekoittumisen isäntäjärjestelmän kanssa.
• A havaittiin tasainen pinnan morfologia PM6:DSMD-βV:BTP-eC9-pohjaisessa kolmisekoituskalvossa kuin PM6:BTP-eC9-pohjaisessa kalvossa.
• Transmissioelektronimikroskoopin (TEM) mukaan ilmeinen faasierotus morfologia havaittiin DSMD-βV:BTP-eC9-pohjaisessa kalvossa.
• Vierasmolekyylin DSMD-βV lisäämisen jälkeen isäntä-PM6:BTP-eC9-järjestelmään faasierotuksen tehostaminen PM6:DSMD-βV:BTP-eC9-pohjaisesta kalvosta.
• Mahdollisuus on parantunut eksitonidissosiaatio ja varauksen kuljetus paremman JSC:n ja FF:n parannetulla pinoamisella ja faasien erottelulla.

Siten näiden tietojen perusteella tutkijat osoittivat, että vierasmolekyylillä on potentiaalia toimia kolmantena komponenttina. Se myös erityisesti aktiivisen kerroksen mikromorfologisten ominaisuuksien säätelyssä.

NREL kehittää tuuliturbiinien siivet kierrätettävästä hartsista

Aurinkosähkön suorituskyky lisäyksen jälkeen 3^rd molekyyli

Tutkijat käyttivät erilaisia ​​aktiivisia kerroksia orgaanisten aurinkokennolaitteiden valmistukseen ja tutkimiseen, nimittäin PM6:DSMD-βV:BTP-eC9, PM6:BTP-eC9 ja DSMD-βV:BTP-eC9. Laitteen rakenne koostui ITO/PEDOT:PSS/aktiivinen kerros/PDINN/Ag. Seuraava kuva esittää karakterisoitua PV-suorituskykyä ja JV-käyrien tietoja.

Laitteet	VOC (V)	JSC (mA cm-2)	FFsss (%)	PCEa (%)	Jkalkki (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

Havainnot

• Kun vierasmolekyyli lisättiin PM6:BTP-eC9-järjestelmään, FF, VOC ja JSC paranivat.
• VOC osoittaa parannuksia alhaisempien HOMO-energiatasojen vuoksi.
• Lisäksi JSC ja FF paranivat aktiivisen kerroksen rakenteen ja energiatasojen optimoinnin ansiosta.
• PM6:DSMD-βV:BTP-eC9-laitteen tehon muunnoshyötysuhde (PCE) saavutti 18.26 %.
• DSMD-βV:BTP-eC9- ja PM6:DSMD-βV:BTP-eC9-pohjaiset laitteet saavuttivat ulkoisen kvanttitehokkuuden (EQE) käyrät aallonpituudella 300-1000 nm, kuten alla olevassa kuvassa näkyy.
• Kolmiosaiset PM6:DSMD-βV:BTP-eC9-laitteet EQE-käyrät osoittivat korkeammat käyrät kuin PM6:BTP-eC9-pohjaiset laitteet. Tämä osoittaa laitteen parantuneen fotonien sieppauskyvyn, mikä johtaa parempaan JSC:hen.

Lisäksi tutkijat analysoivat laitteen fysiikkaa ymmärtääkseen FF:n ja JSC:n parannusta kolmiosaisessa OSC:ssä. Sitten korreloimalla VOC:ta ja vaihtelemalla ahdinkoa tutkijat tutkivat ansaavusteista rekombinaatiota.

• Kaiken kaikkiaan DSMD-βV:n käyttöönotto vähensi tehokkaasti ansaavusteista rekombinaatiota paremman JSC:n saavuttamiseksi.
• Sitten latauksen kuljetusominaisuudet vaikuttivat laitteen suorituskykyyn.
• Korkeammat FF-, PCE- ja JSC-arvot saavutettiin kolmikomponenttien tasapainoisen ja tyydyttävän liikkuvuuden ansiosta.
• Varauksen rekombinaatio voi olla enemmän tukahdutettu varauskuljetuksen aikana, kun DSMD-βV otetaan käyttöön. Tämä voisi parantaa JSC:tä entisestään.
• Pitkä kantajan käyttöikä havaitaan DSMD-βV:BTP-eC9-laitteessa, mutta hidas kantoaineen uuttokyky. Tämä aiheuttaa rekombinaation ja johtaa huonoon PV suorituskykyyn.

Kestävä nanogeneraattori kierrätetystä rikistä öljyjätteestä

Transient Photocurrent (TPC) ja Transient Photovoltage (TPV) testit

Tutkijat tutkivat kantajan uuttoaikaa ja kantajan elinikää TPC- ja TPV-testeillä.

Havainnot

Elokuvien tyypit	DSMD-βV:BTP-eC9	PM6:BTP-eC9	PM6:DSMD-βV:BTP-eC9
TPC-käyrät – Poistoaika (ts)	0.77 μs	0.62 μs	0.66 μs
TPV-käyrät – Poistoaika (ts)	0.50 μs	0.24 μs	0.23 μs

Yhteenveto

Joten tutkijat päättelivät, että äskettäin kehitetyllä luovuttajamateriaalilla DSMD-βV, joka on kehitetty kahden pienen molekyylin luovuttajan yhdistelmästä, on erilaisia ​​​​ominaisuuksia. Sillä on laaja absorptioalue, vahva aggregaatiokyky ja alhainen HOMO-energiataso. Verrattuna BTP-eC2- ja PM9-laitteisiin, äskettäin kehitetyssä laitteessa on toisiaan täydentävä absorptio- ja energiatasojärjestely. Lisäksi se parantaa suorituskykyä jopa 6 %, mikä on korkeampi kuin binäärilaitteiden. Siten voidaan päätellä, että dimeerisellä pienmolekyyliluovuttajalla on potentiaalia tehdä kolmiosaisista OSC:istä tehokkaita.

Lähde: Dimeroitu pienmolekyyliluovuttaja mahdollistaa tehokkaat kolmiosaiset orgaaniset aurinkokennot