Pour obtenir des cellules solaires organiques (CSO) hautement performantes, les CSO ternaires constituent une option viable et efficace. Il est important de développer un troisième composant plus performant pour des CSO ternaires efficaces. Les chercheurs ont développé une nouvelle molécule pour cette étude et ont découvert qu'une petite molécule dimérisée peut accroître l'efficacité des CSO ternaires.
La nouvelle molécule présente une absorption complémentaire et des niveaux d'énergie comparables à ceux de PM5 et BTP-eC9. De plus, elle peut contrôler l'arrangement PM6:BTP-eC9. L'utilisation de PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 dans le dispositif ternaire permet une meilleure dissociation des excitons, une moindre recombinaison et un meilleur transport de charge. Cela a également conduit à un rendement de conversion de puissance supérieur, d'environ 18.26 %, dépassant le rendement précédent du PM6:BTP-eC9 binaire, qui était de 17.63 %.
Le but de l'étude:Démontrer le potentiel des donneurs de petites molécules dimérisées pour les cellules solaires organiques ternaires (OSC).
Une petite molécule dimérisée peut augmenter l'efficacité des OSC ternaires : comment ?
Les chercheurs préfèrent les cellules solaires organiques comme nouvelle entrée prometteuse dans la technologie photovoltaïque. Il présente des avantages distinctifs comme la translucidité, la flexibilité et la légèreté. Grâce aux récentes avancées matériaux accepteurs non fullerènes et la technologie de préparation des appareils, des améliorations essentielles ont été apportées aux performances PV des OSC.
De plus, l'adoption d'une stratégie multi-composants dans l'approche ternaire a considérablement amélioré l'efficacité de conversion de puissance (OCE) des dispositifs. Il est évident que l'ajout d'un troisième composant invité au système binaire hôte lors de la construction d'OSC ternaires présente de nombreux avantages.
L'addition d'un 3ème composant approprié L'usinage du dispositif à jonction simple est simplifié. Cela permet d'obtenir une meilleure densité de courant de court-circuit (CCC). Il est ensuite possible de contrôler la micromorphologie et la cristallinité de la couche active, facilitant ainsi la dissociation des excitons. Les valeurs exceptionnelles de CCC, de facteur de remplissage (FF) et de transport de charge sont ainsi améliorées.
Les arrangements de niveaux d'énergie et la recombinaison non radiative sont également affectés et optimisent la tension en circuit ouvert (VOC). Il devient un canal de transport supplémentaire pouvant améliorer le transfert de charge.
Facteurs à prendre en compte pour un 3ème composant idéal.
- Plage d'absorption complémentaire
- Dispositions appropriées des niveaux d'énergie
- Optimisation de la morphologie de la couche active
Il est important de concevoir et de développer un troisième composant adapté pour exploiter efficacement les facteurs mentionnés ci-dessus et optimiser les paramètres PV des OSC.
Observation des études précédentes À propos de la petite molécule dimérisée comme 3e molécule
La formulation de la couche active dans les cellules souches embryonnaires non fullerènes implique l'ajout de deux matériaux donneurs différents. les deux ont un seul accepteur et un seul donneur avec 2 matériaux accepteurs différents.
Le troisième composant, comme les matériaux oligomères ou les polymères, peut jouer un rôle important. La recherche utilisant un matériau donneur oligomère comme troisième composant est limitée, même s'il peut améliorer efficacement l'efficacité des dispositifs. D'après les recherches, les matériaux donneurs oligomères traités avec un solvant vert permettent d'atteindre un PCE plus élevé dans les cellules souches embryonnaires ternaires.
Dans cette recherche, un donneur de petite molécule dimérisée a été conçu et synthétisé en reliant deux donneurs de petite molécule asymétriques au groupe vinyle. Ce donneur de petite molécule dimérisée, appelé DSMD-βV, présente les propriétés suivantes :
- Il a une large plage d'absorption de 300 à 900 nm.
- A le niveau d'énergie d'orbitale moléculaire occupée (HOMO) le plus élevé, -5.55 eV.
- Forte capacité d'agrégation de l'état de solution à l'état de film
De plus, les chercheurs ont adopté le système PM6:BTP-eC9 comme matrice binaire. Grâce à l'absorption complémentaire des molécules dimérisées, ce système constitue une base favorable pour le développement de cellules solaires organiques ternaires performantes.
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Qualités obtenues après l'ajout de DSMD-βV
- Améliore la séparation de phase de la micromorphologie du film à base de PM6:BTP-eC9
- Améliorer le transport de charge et la dissociation des excitons
- Les performances ont augmenté à 18.26 %.
Résultats et discussion:Utilisation de petites molécules dimérisées pour augmenter l'efficacité des cellules souches embryonnaires ternaires
Synthèse et caractérisation du nouvel appareil
Les chercheurs ont synthétisé un petit donneur asymétrique avec un groupe terminal bromé pour créer le composé (9). Ils ont ensuite utilisé ce composé pour synthétiser le produit cible DSMD-βV en le couplant avec du vinyle par une réaction de couplage de Stille.
Les chercheurs ont utilisé Pd2 (dba) 3 comme catalyseur et P (o-tol) 3 comme ligand. Le produit cible, DSMD-βV, est soluble dans les solvants chloroforme (CF) et chlorobenzène (CB). De plus, il est thermodynamiquement stable jusqu'à 374 °C et subit une perte de poids très faible, d'environ 5 %. Ces qualités des matériaux cibles sont importantes pour répondre aux exigences de traitement lors de la fabrication du dispositif. La figure suivante illustre la procédure de synthèse détaillée du donneur de petites molécules dimérisées DSMD-βV.
Propriétés optiques et électrochimiques
En utilisant les spectres d'absorption UV-visible, les propriétés optiques du DSMD-βV ont été déterminées, comme illustré dans la figure ci-dessous. Les données correspondantes sont mentionnées dans le tableau ci-dessous.
| Molécule | ε (M-1 cm-1) | λpic, sol (nm) | λpic, film (nm) | λfilm, début (nm) | Eg, opter (eV) | EHOMO (eV) | ELUMO (eV) |
| DSMD-βV | 1.20 × 105 | 447, 659 | 536, 744 | 858 | 1.45 | -5.55 | -3.55 |
Observations
- Dans l' état de la solution, DSMD-βV montre une large plage d'absorption de 350 à 800 nm avec 2 bandes d'absorption caractéristiques.
- La région de grande longueur d’onde de la plage d’absorption indiquait des processus de transfert de charge intramoléculaire.
- La bande d'absorption distinctive peut être attribuée aux transitions électroniques π-π* localisées.
- Le coefficient d'absorption molaire maximal du DSMD-βV est déterminé à être 1.20×105 M−1 cm−1 par la loi de Lemberger.
- Dans l' état du film, le spectre d'absorption DSMD-βV a montré une décalage vers le rouge de 80 nm que dans l'état de solution.
- On a également observé une augmentation de l’intensité des pics d’absorption des grandes longueurs d’onde.
- Conformément au bord d'absorption du film DSMD-βV, l'espace optique calculé (par exemple, opt) est 1.45 eV.
- Un certain comportement d'agrégation a été observé dans le DSMD-βV, et les chercheurs pensent qu'il peut réguler la morphologie de la couche active.
- Aux longueurs d'onde de 350 à 570 nm et de 640 à 780 nm, une excellente complémentarité d'absorption a été observée avec PM6 et BTP-eC9.
Note rapide – Une excellente complémentarité d’absorption est importante pour améliorer la densité de court-circuit des dispositifs ternaires.
Différentes méthodes utilisées dans l'expérience
- Les chercheurs ont également caractérisé l’absorption dépendante de la température pour évaluer les propriétés d’agrégation du DSMD-βV en solution.
- De plus, avec la méthode de voltamétrie cyclique (CV), le niveau d'énergie du DSMD-βV a été déterminé.
- Le niveau HOMO était d'environ −5.55 eV et a été calculé par des courbes CV sur la base du potentiel de déclenchement du processus d'oxydation initial.
- Le potentiel de réduction initial a été utilisé pour dériver le niveau d'orbitale moléculaire inoccupée le plus bas (LUMO), qui a été estimé à -3.55 eV.
- De plus, les niveaux d'énergie HOMO et LUMO ont été positionnés entre PM6 et BTP-eC9, ce qui a permis un agencement de niveaux d'énergie en cascade dans le système de mélange ternaire.
Analyse morphologique
Il y a un relation étroite et directe entre la morphologie de la couche active et les performances globales du dispositifIl joue un rôle important dans la détermination de l'efficacité des cellules souches embryonnaires (OSC). Afin de comprendre pleinement l'impact de l'ajout de DSMD-βV sur les propriétés morphologiques, les chercheurs ont mené une étude approfondie de trois mélanges de films différents. L'objectif principal était de mieux comprendre les effets de l'ajout de DSMD-βV.
Observations
- Selon les résultats obtenus au microscope à force atomique (AFM), la propriété de micromorphologie de la couche active pourrait être efficacement régulée par l'ajout de DSMD-βV dans le système binaire.
- L'espace rugosité quadratique moyenne (RMS) des trois films étaient : DSMD-βV:BTP-eC9 (1.43), PMT:BTP-eC9 (1.48) et PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 (1.28). Note rapide:Les petites valeurs RMS indiquent le mélange compatible de DSMD-βV avec le système hôte.
- A une morphologie de surface uniforme a été observée dans le film à mélange ternaire à base de PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 que le film à base de PM6:BTP-eC9.
- Selon le microscope électronique à transmission (MET), séparation de phase évidente la morphologie a été observée dans le film à base de DSMD-βV:BTP-eC9.
- Après avoir introduit la molécule invitée DSMD-βV dans le système hôte PM6:BTP-eC9, il y a eu une amélioration de la séparation de phase du film à base de PM6:DSMD-βV:BTP-eC9.
- Il y a une possibilité de amélioration de la dissociation des excitons et du transport de charge pour un meilleur JSC et FF avec un empilement et une séparation de phase améliorés.
Ainsi, sur la base de ces informations, les chercheurs ont démontré que la molécule invitée avait le potentiel de servir de troisième composant, notamment pour réguler les propriétés micromorphologiques de la couche active.
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Performance du photovoltaïque après ajout de 3rd Molécule
Les chercheurs ont utilisé différentes couches actives pour fabriquer et étudier les cellules solaires organiques : PM6:DSMD-βV:BTP-eC9, PM6:BTP-eC9 et DSMD-βV:BTP-eC9. La structure du dispositif était composée d'ITO/PEDOT:PSS/couche active/PDINN/Ag. La figure suivante présente les performances photovoltaïques caractérisées et les courbes de coentreprise.
| Appareils | VOC (V) | JSC (mA cm-2) | Putain (%) | PCEa (%) | Jcal (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 |
Observations
- Avec l'ajout de la molécule invitée au système PM6:BTP-eC9, des améliorations ont été apportées au FF, au VOC et au JSC.
- Le COV montre des améliorations en raison de niveaux d’énergie HOMO inférieurs.
- De plus, JSC et FF se sont améliorés grâce à l'optimisation de la structure de la couche active et des niveaux d'énergie.
- L'efficacité de conversion de puissance (PCE) du dispositif PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 a atteint 18.26 %.
- Les dispositifs basés sur DSMD-βV:BTP-eC9 et PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 ont obtenu des courbes d'efficacité quantique externe (EQE) sur une longueur d'onde de 300 à 1000 XNUMX nm, comme illustré dans la figure ci-dessous.
- Les courbes EQE des dispositifs ternaires PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 ont montré des contours plus élevés que ceux des dispositifs PM6:BTP-eC9. Cela indique une meilleure capacité de capture de photons du dispositif, ce qui conduit à un JSC amélioré.
De plus, pour comprendre l'amélioration des FF et des JSC dans l'OSC ternaire, les chercheurs ont analysé la physique du dispositif. Ensuite, en corrélant le VOC et la variation de Plight, ils ont étudié la recombinaison assistée par piège.
- Dans l’ensemble, l’introduction du DSMD-βV a efficacement diminué la recombinaison assistée par piège pour obtenir un JSC supérieur.
- Ensuite, les capacités de transport de charge ont influencé les performances de l’appareil.
- Des FF, PCE et JSC plus élevés ont été obtenus grâce à la mobilité équilibrée et satisfaisante des dispositifs ternaires.
- L'introduction du DSMD-βV pourrait entraîner une suppression accrue de la recombinaison de charge lors du transport de charge. Cela pourrait encore améliorer le JSC.
- Le dispositif DSMD-βV:BTP-eC9 présente une longue durée de vie des porteurs, mais une faible capacité d'extraction des porteurs. Ceci entraîne une recombinaison et une faible performance PV.
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Tests de photocourant transitoire (TPC) et de phototension transitoire (TPV)
Les chercheurs ont étudié le temps d’extraction du support et la durée de vie du support grâce à des tests TPC et TPV.
Observations
| Types de films | DSMD-βV:BTP-eC9 | PM6:BTP-eC9 | PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 |
| Courbes TPC – Temps d'extraction (ts) | 0.77 μs | 0.62 μs | 0.66 μs |
| Courbes TPV – Temps d'extraction (ts) | 0.50 μs | 0.24 μs | 0.23 μs |
Conclusion
Les chercheurs ont conclu que le nouveau matériau donneur DSMD-βV, issu de la combinaison de deux petites molécules donneuses, présente diverses caractéristiques. Il présente une large plage d'absorption, une forte capacité d'agrégation et de faibles niveaux d'énergie HOMO. Comparé aux dispositifs BTP-eC2 et PM9, ce nouveau matériau présente une absorption et des niveaux d'énergie complémentaires. De plus, il permet une amélioration des performances allant jusqu'à 6 %, supérieure à celle des dispositifs binaires. On peut donc conclure que le donneur dimérique à petite molécule a le potentiel d'améliorer l'efficacité des cellules souches embryonnaires ternaires.
