高性能有機太陽電池（OSC）を実現するためには、三元OSCが実現可能で効率的な選択肢です。効率的な三元OSCには、より優れた第3のコンポーネントを開発することが重要です。研究者らは、この研究のために新しい分子を開発し、二量体化された小分子が三元OSCの効率を高めることができることを発見しました。
この新しい分子は、PM5 と BTP-eC9 に匹敵するエネルギーレベルとともに、相補的な吸収を示します。さらに、PM6:BTP-eC9 の配置も制御できます。三元デバイスで PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 を使用すると、励起子の解離が改善され、再結合が少なくなり、電荷輸送が改善されます。これにより、さらに 18.26% 程度の電力変換効率が向上しました。このレベルは、6 元 PM9:BTP-eC17.63 の以前の効率 XNUMX% を上回ります。
研究の目的三元有機太陽電池（OSC）用の二量化小分子ドナーの可能性を実証する。
二量体化された小分子は三元 OSC の効率を高めることができます: その方法は?
研究者は有機太陽電池を 有望な新規参入 PV技術の分野では、半透明性、柔軟性、軽量設計といった優れた利点があります。 非フラーレン受容体材料 およびデバイス準備技術により、OSC の PV 性能は大幅に向上しました。
また、三元アプローチで複数コンポーネント戦略を採用することで、デバイスの電力変換効率 (OCE) が大幅に向上しました。三元 OSC を構築する際に、ホスト バイナリ システムに 3 番目のゲスト コンポーネントを追加すると、複数の利点があることは明らかです。
添加 適切な第3コンポーネント 単接合デバイスのシンプルな機械加工を維持できます。これにより、短絡電流密度 (Jsc) をさらに向上させることができます。その後、活性層の微細構造と結晶性を制御することができます。これにより、励起子の解離がさらに促進されます。これにより、JSC、フィルファクター (FF)、および電荷輸送の優れた値が向上します。
エネルギーレベルの配置と非放射再結合も影響を受け、開放電圧 (VOC) を最適化します。これは、電荷移動を改善できる追加の輸送チャネルになります。
理想的な第 3 コンポーネントについて考慮すべき要素。
- 補完吸収範囲
- エネルギーレベルの適切な配置
- 活性層形態の最適化
上記の要素を効果的に実現するには、適合する第 3 コンポーネントを設計および開発することが重要です。また、OSC の PV パラメータを最適化することも重要です。
これまでの研究の観察 3番目の分子としての二量体化小分子について
三元系非フラーレンOSCの活性層形成には、2つの異なるドナー材料の添加が必要である。 どちらも単一のアクセプターと単一のドナーを持ち、2つの異なるアクセプター材料を持つ。.
オリゴマー材料やポリマーなどの第 3 のコンポーネントは、重要な役割を果たすことができます。デバイスの効率を効果的に向上できるにもかかわらず、第 3 のコンポーネントとしてオリゴマー ドナー材料を使用する研究は限られています。研究によると、グリーン溶媒で処理されたオリゴマー ドナー材料は、三元 OSC でより高い PCE を達成できます。
本研究では、2つの非対称小分子ドナーをビニル基で連結した二量体小分子ドナーを設計・合成した。この二量体小分子ドナーはDSMD-βVと呼ばれ、以下の特性を有する。
- 300～900 nmの広い吸収範囲を持ちます。
- 最高被占分子軌道 (HOMO) エネルギーレベルは -5.55 eV です。
- 溶液からフィルム状態までの強力な凝集能力
さらに、研究者らは PM6:BTP-eC9 システムをバイナリ マトリックスとして採用しました。これは二量体分子の相補的吸収により、効率的な三元有機太陽電池を開発するための第 3 のコンポーネントとして好ましい基盤を確立します。
DSMD-βV添加後の品質
- PM6:BTP-eC9ベースのフィルム微細構造の相分離を強化
- 電荷輸送と励起子解離の改善
- パフォーマンスは18.26%に向上しました。
結果と考察: 二量体小分子を使用して三元OSCの効率を高める
合成と特性評価 新しいデバイスの
研究者らは、臭素置換末端基を有する非対称小供与体を合成して化合物（9）を作成した。次に、この化合物をスティルカップリング反応でビニルとカップリングさせて、目的生成物DSMD-βVを合成した。
研究者らは、触媒として Pd2 (dba) 3 を、配位子として P (o-tol) 3 を使用しました。ターゲット生成物 DSMD-βV は、クロロホルム (CF) およびクロロベンゼン (CB) 溶媒に溶解します。さらに、374° C まで熱力学的に安定しており、重量損失はわずか約 5% です。ターゲット材料のこれらの特性は、デバイス製造時の処理要件を満たすために重要です。次の図は、二量体化小分子ドナー DSMD-βV の詳細な合成手順を示しています。
CO2の捕捉、放出、変換を制御するリグニンポリマーをFSMU-FSUの研究者が発見
光学的および電気化学的特性
UV-vis吸収スペクトルを使用して、DSMD-βVの光学特性を次の図に示すように調べました。対応するデータは下の表に記載されています。
| 分子 | ε (M-1 cm-1) | λピーク、ソル （nm） | λピーク、映画 （nm） | λ映画、開始 （nm） | Eg、オプト (電子ボルト) | Eホモ (電子ボルト) | Eルモ (電子ボルト) |
| DSMD-βV | 1.20×105 | 447、659 | 536、744 | 858 | 1.45 | -5.55 | -3.55 |
観測
- 解決状態DSMD-βVは広い 吸収範囲350～800 nm 2つの特徴的な吸収帯を持ちます。
- 吸収範囲の長波長領域は分子内電荷移動プロセスを示しています。
- 特徴的な吸収帯は、局所的なπ-π*電子遷移に起因すると考えられます。
- DSMDの最大モル吸光係数は、βVは 1.20×105 M−1 cm−1 レンバーガーの法則によります。
- フィルムの状態DSMD-βVの吸収スペクトルは、 80 nm赤方偏移 溶液状態よりも。
- また、長波長吸収ピークの強度も増加しました。
- DSMD-βVフィルム吸収端に基づいて計算された光学ギャップ（Eg, opt）は 1.45 eV.
- DSMD-βV では特定の凝集挙動が示されており、研究者らはそれが活性層の形態を制御できると考えています。
- 350〜570 nmおよび640〜780 nmの波長では、PM6とBTP-eC9で優れた吸収補完性が観察されました。
クイックノート – 三元デバイスの短絡密度を向上させるには、優れた吸収補完性が重要です。
フレキシブルデバイス向け ETL ベースの両面ペロブスカイト太陽電池: シミュレーション研究
実験で使用されたさまざまな方法
- 研究者らはまた、溶液中のDSMD-βVの凝集特性を評価するために、温度依存の吸収を特徴付けました。
- また、サイクリックボルタンメトリー（CV）法を用いて、DSMD-βVのエネルギーレベルを決定しました。
- HOMO レベルは約 -5.55 eV であり、初期酸化プロセスの開始電位に基づいて CV 曲線によって計算されました。
- 初期還元電位を使用して最低空分子軌道 (LUMO) レベルを導出し、-3.55 eV と推定されました。
- さらに、HOMO および LUMO エネルギーレベルは PM6 と BTP-eC9 の間に位置し、三元ブレンドシステムでカスケードエネルギーレベルの配置が可能になりました。
形態解析
あり 活性層の形態とデバイスの全体的な性能との間には密接かつ直接的な関係があるこれは、OSC の効率を決定する上で重要な役割を果たします。DSMD-βV の添加が形態特性に与える影響を完全に理解するために、研究者は 3 つの異なるフィルム ブレンドの包括的な調査を実施しました。その主な目的は、DSMD-βV の添加によって生じる効果を詳細に理解することでした。
観測
- 原子間力顕微鏡 (AFM) によって発見された結果によると、活性層の微細構造特性は、二元系に DSMD-βV を添加することによって効果的に制御できる可能性があります。
- 楽器博物館 二乗平均平方根粗さ 9つのフィルムの(RMS)は、DSMD-βV:BTP-eC1.43 (9)、PMT:BTP-eC1.48 (6)、PM9:DSMD-βV:BTP-eC1.28 (XNUMX)でした。 クイックノート: RMS 値が小さいということは、DSMD-βV とホスト システムの互換性のある混合を示しています。
- A 均一な表面形態が観察された PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 ベースの三元ブレンドフィルムでは、PM6:BTP-eC9 ベースのフィルムよりも優れた耐熱性が得られます。
- 透過型電子顕微鏡（TEM）によれば、 明らかな相分離 DSMD-βV:BTP-eC9 ベースのフィルムで形態が観察されました。
- ホストPM6:BTP-eC9システムにゲスト分子DSMD-βVを導入した後、 相分離の強化 PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 ベースのフィルム。
- 可能性がある 励起子解離と電荷輸送の改善 スタッキングと相分離が強化され、JSC と FF が向上します。
したがって、この情報に基づいて、研究者はゲスト分子が第 3 のコンポーネントとして機能する可能性があることを実証しました。それも、具体的には、アクティブ層の微細構造特性の調整においてです。
NREL、リサイクル可能な樹脂から風力タービンブレードを開発
3を追加した後の太陽光発電の性能rd 分子
研究者らは、PM6:DSMD-βV:BTP-eC9、PM6:BTP-eC9、および DSMD-βV:BTP-eC9 という異なる活性層を使用して有機太陽電池デバイスを製造および研究しました。デバイス構造は、ITO/PEDOT:PSS/活性層/PDINN/Ag で構成されていました。次の図は、特性評価された PV パフォーマンスと JV 曲線データを表しています。
| Devices | VOC （V） | JSC (mA cm-2) | ふぅぅ （％） | PCEa （％） | Jライム (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 |
観測
- PM6:BTP-eC9 システムにゲスト分子を追加すると、FF、VOC、JSC が改善されました。
- VOC は、HOMO エネルギー レベルの低下により改善が見られます。
- さらに、活性層の構造とエネルギーレベルの最適化により、JSC と FF が向上しました。
- PM6:DSMD-βV:BTP-eC9デバイスの電力変換効率（PCE）は18.26%に達しました。
- DSMD-βV:BTP-eC9 および PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 ベースのデバイスは、下の図に示すように、300 ～ 1000 nm の波長にわたって外部量子効率 (EQE) 曲線を実現しました。
- PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 三元デバイスの EQE 曲線は、PM6:BTP-eC9 ベースのデバイスよりも高い曲線輪郭を示しました。これは、デバイスの光子捕捉能力が向上し、JSC が強化されたことを示しています。
さらに、三元OSCにおけるFFとJSCの強化を理解するために、研究者らはデバイスの物理的性質を分析しました。次に、VOCと変化するPlightを相関させることで、研究者らはトラップアシスト再結合を調査しました。
- 全体として、DSMD-βV の導入により、トラップ支援組換えが効果的に減少し、優れた JSC が実現しました。
- そして、電荷輸送能力がデバイスの性能に影響を与えました。
- 三元デバイスのバランスのとれた良好な移動度により、より高い FF、PCE、および JSC が得られました。
- DSMD-βV の導入により、電荷輸送中の電荷再結合をさらに抑制することができます。これにより、JSC がさらに強化される可能性があります。
- DSMD-βV:BTP-eC9 デバイスではキャリア寿命が長いものの、キャリア抽出能力が遅いことが観察されています。これにより再結合が発生し、PV パフォーマンスが低下します。
過渡光電流 (TPC) および過渡光電圧 (TPV) テスト
研究者らは、TPC および TPV テストを通じてキャリア抽出時間とキャリア寿命を研究しました。
観測
| 映画の種類 | DSMD-βV:BTP-eC9 | PM6:BTP-eC9 | PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 |
| TPC 曲線 – 抽出時間 (ts) | 0.77μs | 0.62μs | 0.66μs |
| TPV曲線 – 抽出時間（ts） | 0.50μs | 0.24μs | 0.23μs |
結論
そこで研究者らは、2つの小分子ドナーの組み合わせから開発された新開発のドナー材料DSMD-βVにはさまざまな特徴があると結論付けました。広い吸収範囲、強力な凝集能力、低いHOMOエネルギーレベルを備えています。BTP-eC9およびPM6デバイスと比較して、新開発のものは補完的な吸収とエネルギーレベルの配置を備えています。さらに、バイナリデバイスよりも高い18.26％までのパフォーマンスの向上につながります。したがって、二量体小分子ドナーは三量体OSCを効率的にする可能性を秘めていると結論付けることができます。
