Per ottenere celle solari organiche (OSC) ad alte prestazioni, le OSC ternarie sono un'opzione fattibile ed efficiente. È importante sviluppare un terzo componente migliore per le OSC ternarie efficienti. I ricercatori hanno sviluppato una nuova molecola per questo studio e hanno scoperto che le piccole molecole dimerizzate possono aumentare l'efficienza delle OSC ternarie
La nuova molecola mostra un assorbimento complementare insieme a livelli di energia che possono corrispondere a PM5 e BTP-eC9. Inoltre, può anche controllare la disposizione PM6:BTP-eC9. Una migliore dissociazione degli eccitoni, una minore ricombinazione e un migliore trasporto di carica avvengono utilizzando PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 nel dispositivo ternario. Ciò ha portato ulteriormente a una maggiore efficienza di conversione di potenza, circa il 18.26%. Questo livello supera la precedente efficienza del binario PM6:BTP-eC9 che era del 17.63%.
Scopo dello studio: Per dimostrare il potenziale dei donatori di piccole molecole dimerizzate per celle solari organiche ternarie (OSC).
Le piccole molecole dimerizzate possono aumentare l'efficienza degli OSC ternari: come?
I ricercatori preferiscono le celle solari organiche come nuova entrata promettente nella tecnologia fotovoltaica. Presenta vantaggi distintivi come la traslucenza, la flessibilità e il design leggero. Con i recenti progressi in materiali accettori non fullerenici e la tecnologia di preparazione dei dispositivi, si sono verificati miglioramenti essenziali nelle prestazioni fotovoltaiche degli OSC.
Inoltre, l'adozione di una strategia multi-componente nell'approccio ternario ha aumentato significativamente l'efficienza di conversione di potenza (OCE) dei dispositivi. È evidente che l'aggiunta di un terzo componente ospite al sistema binario host durante la costruzione di OSC ternari presenta molteplici vantaggi.
L'aggiunta di un 3° componente appropriato può mantenere la semplice lavorazione del dispositivo a giunzione singola. Ciò aiuta ulteriormente a ottenere una migliore densità di corrente di cortocircuito (Jsc). Successivamente, è possibile controllare la micromorfologia e la cristallinità dello strato attivo. Ciò facilita ulteriormente la dissociazione degli eccitoni. Migliora i valori eccezionali di JSC, fattore di riempimento (FF) e trasporto di carica.
Anche le disposizioni dei livelli di energia e la ricombinazione non radiativa sono interessate e ottimizzano la tensione a circuito aperto (VOC). Diventa un canale di trasporto aggiuntivo che può migliorare il trasferimento di carica.
Fattori da considerare per un terzo componente ideale.
- Intervallo di assorbimento complementare
- Disposizioni appropriate dei livelli di energia
- Ottimizzazione della morfologia dello strato attivo
È importante progettare e sviluppare un terzo componente corrispondente per realizzare efficacemente i fattori sopra menzionati. Inoltre, per ottimizzare i parametri PV degli OSC.
Osservazione degli studi precedenti Informazioni sulla piccola molecola dimerizzata come terza molecola
La formulazione dello strato attivo negli OSC ternari non fullerenici comporta l'aggiunta di 2 diversi materiali donatori. entrambi hanno un singolo accettore e un singolo donatore con 2 materiali accettori diversi.
Il terzo componente, come i materiali oligomerici o i polimeri, può svolgere un ruolo importante. La ricerca con materiale donatore oligomerico come terzo componente è limitata, anche se può effettivamente migliorare l'efficienza dei dispositivi. Come ricercato, i materiali donatori oligomerici elaborati con solvente verde sono in grado di ottenere PCE più elevato negli OSC ternari.
In questa ricerca, è stato progettato e sintetizzato un donatore di piccole molecole dimerizzato collegando 2 donatori di piccole molecole asimmetrici con il gruppo vinile. Il donatore di piccole molecole dimerizzato è denominato DSMD-βV e ha le seguenti qualità.
- Ha un ampio intervallo di assorbimento da 300 a 900 nm.
- Ha il più alto livello energetico dell'orbitale molecolare occupato (HOMO), -5.55 eV.
- Forte capacità di aggregazione dalla soluzione allo stato di film
Inoltre, i ricercatori hanno adottato il sistema PM6:BTP-eC9 come matrice binaria. Che con l'assorbimento complementare di molecole dimerizzate stabilisce una base favorevole come terzo componente per lo sviluppo di celle solari organiche ternarie efficienti.
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Qualità ottenute dopo l'aggiunta di DSMD-βV
- Migliora la separazione di fase della micromorfologia del film basato su PM6:BTP-eC9
- Migliorare il trasporto di carica e la dissociazione degli eccitoni
- Le prestazioni sono aumentate al 18.26%.
Risultati e discussione: Utilizzo di piccole molecole dimerizzate per aumentare l'efficienza degli OSC ternari
Sintesi e caratterizzazione del Nuovo Dispositivo
I ricercatori hanno sintetizzato un piccolo donatore asimmetrico con un gruppo terminale sostituito con bromo per creare il composto (9). Quindi hanno utilizzato questo composto per sintetizzare il prodotto target DSMD-βV accoppiandolo con vinile utilizzando una reazione di accoppiamento di Stille.
I ricercatori hanno utilizzato Pd2 (dba) 3 come catalizzatore e P (o-tol) 3 come legante. Il prodotto target DSMD-βV è solubile in solventi cloroformio (CF) e clorobenzene (CB). Inoltre è termodinamicamente stabile fino a 374 °C e subisce una perdita di peso molto ridotta di circa il 5%. Queste qualità dei materiali target sono importanti per soddisfare i requisiti di elaborazione durante la fabbricazione del dispositivo. La figura seguente mostra la procedura di sintesi dettagliata per il donatore di piccole molecole dimerizzato DSMD-βV.
Proprietà ottiche ed elettrochimiche
Utilizzando spettri di assorbimento UV-vis, è stata effettuata la proprietà ottica di DSMD-βV, come mostrato nella figura sottostante. I dati corrispondenti sono menzionati nella tabella sottostante.
| molecola | ε (M-1 cm-1) | λpicco, sol (Nm) | λpicco, film (Nm) | λfilm, inizio (Nm) | Eg, opt (ev) | EHOMO (ev) | ELEGGERO (ev) |
| DSMD-βV | 1.20 × 105 | 447, 659 | 536, 744 | 858 | 1.45 | -5.55 | -3.55 |
Osservazioni
- Nel stato di soluzione, DSMD-βV mostra un'ampia intervallo di assorbimento da 350-800 nm con 2 bande di assorbimento caratteristiche.
- La regione delle lunghezze d'onda lunghe dell'intervallo di assorbimento indicava processi di trasferimento di carica intramolecolare.
- La caratteristica banda di assorbimento può essere attribuita alle transizioni elettroniche π-π* localizzate.
- Il coefficiente di assorbimento molare massimo di DSMD-βV è determinato ad essere 1.20×105 M−1 cm−1 dalla legge di Lemberger.
- Nel stato del film, lo spettro di assorbimento DSMD-βV ha mostrato un Spostamento verso il rosso di 80 nm che nello stato di soluzione.
- Inoltre, si è riscontrato un aumento dell'intensità dei picchi di assorbimento delle lunghezze d'onda lunghe.
- In base al limite di assorbimento del film DSMD-βV, il gap ottico calcolato (ad esempio, opt) è 1.45 eV.
- Nel DSMD-βV è stato evidenziato un certo comportamento di aggregazione e i ricercatori ritengono che possa regolare la morfologia dello strato attivo.
- Nelle lunghezze d'onda comprese tra 350-570 nm e 640-780 nm, è stata osservata un'eccellente complementarietà di assorbimento con PM6 e BTP-eC9.
Nota rapida – Un’eccellente complementarietà di assorbimento è importante per migliorare la densità di cortocircuito dei dispositivi ternari.
Diversi metodi utilizzati nell'esperimento
- I ricercatori hanno anche caratterizzato l'assorbimento dipendente dalla temperatura per valutare le proprietà di aggregazione del DSMD-βV in soluzione.
- Inoltre, con il metodo della voltammetria ciclica (CV), è stato determinato il livello energetico del DSMD-βV.
- Il livello HOMO era di circa -5.55 eV ed è stato calcolato mediante curve CV sulla base del potenziale di inizio del processo di ossidazione iniziale.
- Il potenziale di riduzione iniziale è stato utilizzato per ricavare il livello più basso dell'orbitale molecolare non occupato (LUMO), stimato a -3.55 eV.
- Inoltre, i livelli energetici HOMO e LUMO sono stati posizionati tra PM6 e BTP-eC9, il che ha consentito una disposizione a cascata dei livelli energetici nel sistema di miscela ternaria.
Analisi morfologica
C'è un relazione stretta e diretta tra la morfologia dello strato attivo e le prestazioni complessive del dispositivo. Svolge un ruolo importante nel determinare l'efficienza degli OSC. Per comprendere appieno l'impatto dell'aggiunta di DSMD-βV sulle proprietà morfologiche, i ricercatori hanno condotto un'indagine completa sulle 3 diverse miscele di film. L'obiettivo principale era quello di acquisire una comprensione approfondita degli effetti che si verificano a causa dell'aggiunta di DSMD-βV.
Osservazioni
- Secondo i risultati ottenuti tramite microscopio a forza atomica (AFM), la proprietà micromorfologica dello strato attivo potrebbe essere regolata efficacemente mediante l'aggiunta di DSMD-βV nel sistema binario.
- . scabrezza quadratica media (RMS) dei tre film erano: DSMD-βV:BTP-eC9 (1.43), PMT:BTP-eC9 (1.48) e PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 (1.28). Nota rapida: I piccoli valori RMS indicano la miscelazione compatibile di DSMD-βV con il sistema ospite.
- A è stata osservata una morfologia superficiale uniforme nel film di miscela ternaria basato su PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 rispetto al film basato su PM6:BTP-eC9.
- Secondo il microscopio elettronico a trasmissione (TEM), evidente separazione di fase è stata osservata la morfologia nel film basato su DSMD-βV:BTP-eC9.
- Dopo aver introdotto la molecola ospite DSMD-βV nel sistema ospite PM6:BTP-eC9, si è verificato un miglioramento nella separazione di fase di pellicola a base di PM6:DSMD-βV:BTP-eC9.
- C'è la possibilità di miglioramento della dissociazione degli eccitoni e del trasporto di carica per JSC e FF migliori con impilamento e separazione di fase migliorati.
Pertanto, sulla base di queste informazioni, i ricercatori hanno dimostrato che la molecola ospite ha il potenziale per fungere da terzo componente. Anche questo, specificamente nella regolazione delle proprietà micromorfologiche dello strato attivo.
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Prestazioni del fotovoltaico dopo l'aggiunta di 3rd molecola
I ricercatori hanno utilizzato diversi strati attivi per realizzare e studiare i dispositivi a celle solari organiche, ovvero PM6:DSMD-βV:BTP-eC9, PM6:BTP-eC9 e DSMD-βV:BTP-eC9. La struttura del dispositivo era composta da ITO/PEDOT:PSS/strato attivo/PDINN/Ag. La figura seguente rappresenta i dati delle curve JV e delle prestazioni PV caratterizzate.
| dispositivi | VOC (V) | JSC (mA·cm-2) | Perbacco (%) | PCEa (%) | Jcalce (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 |
Osservazioni
- Con l'aggiunta della molecola ospite al sistema PM6:BTP-eC9 si sono verificati miglioramenti in FF, VOC e JSC.
- I VOC mostrano miglioramenti grazie ai minori livelli di energia HOMO.
- Inoltre, JSC e FF sono migliorati grazie all'ottimizzazione della struttura dello strato attivo e dei livelli energetici.
- L'efficienza di conversione di potenza (PCE) del dispositivo PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 ha raggiunto il 18.26%.
- I dispositivi basati su DSMD-βV:BTP-eC9 e PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 hanno raggiunto curve di efficienza quantica esterna (EQE) su una lunghezza d'onda di 300-1000 nm, come mostrato nella figura seguente.
- Le curve EQE dei dispositivi ternari PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 hanno mostrato contorni di curva più alti rispetto ai dispositivi basati su PM6:BTP-eC9. Ciò indica una migliore capacità di cattura dei fotoni del dispositivo che porta a un JSC migliorato.
Inoltre, per comprendere il potenziamento di FF e JSC nell'OSC ternario, i ricercatori hanno analizzato la fisica del dispositivo. Quindi, correlando VOC e variando Plight, i ricercatori hanno studiato la ricombinazione assistita da trappola.
- Nel complesso, l'introduzione del DSMD-βV ha ridotto in modo efficace la ricombinazione assistita da trappola, ottenendo una JSC superiore.
- Quindi le capacità di trasporto della carica hanno influenzato le prestazioni del dispositivo.
- Grazie alla mobilità bilanciata e soddisfacente dei dispositivi ternari, sono stati ottenuti valori FF, PCE e JSC più elevati.
- Con l'introduzione di DSMD-βV si può avere una maggiore soppressione della ricombinazione di carica durante il trasporto di carica. Ciò potrebbe migliorare ulteriormente JSC.
- Nel dispositivo DSMD-βV:BTP-eC9 si osserva una lunga durata del vettore ma una lenta capacità di estrazione del vettore. Ciò causa la ricombinazione e si traduce in scarse prestazioni PV.
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Test di fotocorrente transitoria (TPC) e fototensione transitoria (TPV)
I ricercatori hanno studiato il tempo di estrazione del vettore e la sua durata di vita attraverso test TPC e TPV.
Osservazioni
| Tipi di film | DSMD-βV:BTP-eC9 | PM6:BTP-eC9 | PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 |
| Curve TPC – Tempo di estrazione (ts) | 0.77 μs | 0.62 μs | 0.66 μs |
| Curve TPV – Tempo di estrazione (ts) | 0.50 μs | 0.24 μs | 0.23 μs |
Conclusione
Quindi, i ricercatori hanno concluso che il materiale donatore di nuova concezione DSMD-βV sviluppato dalla combinazione di 2 donatori di piccole molecole ha varie caratteristiche. Ha un ampio intervallo di assorbimento, una forte capacità di aggregazione e bassi livelli di energia HOMO. Rispetto ai dispositivi BTP-eC9 e PM6, quello di nuova concezione ha un assorbimento complementare e una disposizione dei livelli di energia. Inoltre, porta a un miglioramento delle prestazioni fino al 18.26%, che è superiore ai dispositivi binari. Quindi, si può concludere che il donatore di piccole molecole dimerico ha il potenziale per rendere efficienti gli OSC ternari.
Fonte: Il donatore di piccole molecole dimerizzate consente celle solari organiche ternarie efficienti
