Om hoog presterende organische zonnecellen (OSC's) te bereiken, zijn de ternaire OSC's een haalbare en efficiënte optie. Het is belangrijk om een betere 3e component te ontwikkelen voor efficiënte ternaire OSC's. Onderzoekers ontwikkelden een nieuw molecuul voor deze studie en ontdekten dat gedimeriseerde kleine moleculen de efficiëntie van ternaire OSC's kunnen verhogen
Het nieuwe molecuul vertoont complementaire absorptie samen met energieniveaus die PM5 en BTP-eC9 kunnen evenaren. Bovendien kan het ook de PM6:BTP-eC9-opstelling regelen. Betere excitondissociatie, minder recombinatie en beter ladingstransport vinden plaats door PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 te gebruiken in het ternaire apparaat. Dit leidde verder tot een hogere vermogensconversie-efficiëntie, ongeveer 18.26%. Dit niveau overtreft de vorige efficiëntie van binaire PM6:BTP-eC9, die 17.63% was.
Doel van de studie : Het potentieel aantonen van gedimeriseerde kleine molecuuldonoren voor ternaire organische zonnecellen (OSC's).
Gedimeriseerd klein molecuul kan de efficiëntie van ternaire OSC's verhogen: hoe?
Onderzoekers geven de voorkeur aan organische zonnecellen als een veelbelovende nieuwe ontwikkeling in de fotovoltaïsche technologie. Deze cellen hebben onderscheidende voordelen zoals transparantie, flexibiliteit en een lichtgewicht ontwerp. Dankzij recente ontwikkelingen in niet-fullereen acceptormaterialen en de productietechnologie voor deze cellen, zijn de fotovoltaïsche prestaties van organische zonnecellen aanzienlijk verbeterd.
Ook heeft de adoptie van een strategie met meerdere componenten in de ternaire benadering de vermogensconversie-efficiëntie (OCE) van apparaten aanzienlijk verhoogd. Het is duidelijk dat de toevoeging van een derde gastcomponent aan het binaire hostsysteem tijdens het construeren van ternaire OSC's meerdere voordelen heeft.
De toevoeging van een geschikte derde component kan de eenvoudige bewerking van het enkelvoudige junctie-apparaat behouden. Dit draagt verder bij aan het bereiken van een betere kortsluitstroomdichtheid (Jsc). Vervolgens is het mogelijk om de micromorfologie en kristalliniteit van de actieve laag te controleren. Dit vergemakkelijkt verder de dissociatie van excitonen. Het verbetert de uitstekende waarden van JSC, vulfactor (FF) en ladingstransport.
Energieniveau-regelingen en niet-stralende recombinatie worden ook beïnvloed en optimaliseren de open circuit spanning (VOC). Het wordt een extra transportkanaal dat de ladingsoverdracht kan verbeteren.
Factoren waarmee rekening moet worden gehouden voor een ideaal 3e component.
- Complementair absorptiebereik
- Passende regelingen van energieniveaus
- Optimalisatie van actieve laagmorfologie
Het is belangrijk om een bijpassende 3e component te ontwerpen en ontwikkelen om de hierboven genoemde factoren effectief te realiseren. Ook om de PV-parameters van de OSC's te optimaliseren.
Observatie van eerdere studies Over gedimeriseerd klein molecuul als 3e molecuul
De actieve laag in ternaire niet-fullereen organische zonnecellen (OSC's) wordt samengesteld door de toevoeging van twee verschillende donormaterialen. Beide hebben een enkele acceptor en een enkele donor met twee verschillende acceptormaterialen.
De 3e component, zoals oligomere materialen of polymeren, kan een belangrijke rol spelen. Onderzoek met oligomere donormaterialen als de 3e component is beperkt, hoewel het de efficiëntie van de apparaten effectief kan verbeteren. Zoals onderzocht, zijn oligomere donormaterialen verwerkt met groene oplosmiddelen in staat om hogere PCE te bereiken in ternaire OSC's.
In dit onderzoek werd een gedimeriseerde kleine molecuuldonor ontworpen en gesynthetiseerd door 2 asymmetrische kleine molecuuldonoren te verbinden met de vinylgroep. De gedimeriseerde kleine molecuuldonor wordt aangeduid als DSMD-βV en heeft de volgende kwaliteiten.
- Het heeft een breed absorptiebereik van 300-900 nm.
- Heeft het hoogste bezette moleculaire orbitaal (HOMO) energieniveau, -5.55 eV.
- Sterk aggregatievermogen van oplossing naar filmtoestand
Verder hebben onderzoekers het PM6:BTP-eC9-systeem aangenomen als binaire matrix. Die met complementaire absorptie van gedimeriseerde moleculen een gunstige basis vormt als derde component voor de ontwikkeling van efficiënte ternaire organische zonnecellen.
Zonnecel versus zonnepaneel – de belangrijkste verschillen
Kwaliteiten bereikt na toevoeging van DSMD-βV
- Verbetert de fasescheiding van PM6:BTP-eC9-gebaseerde filmmicromorfologie
- Verbeter ladingstransport en excitondissociatie
- Prestaties gestegen naar 18.26%.
Resultaten en discussie: Gebruik van gedimeriseerde kleine moleculen om de efficiëntie van ternaire OSC's te verhogen
Synthese en karakterisering van het nieuwe apparaat
Onderzoekers synthetiseerden een asymmetrische kleine donor met een broom-gesubstitueerde eindgroep om de verbinding te creëren (9). Vervolgens gebruikten ze deze verbinding om het doelproduct DSMD-βV te synthetiseren door het te koppelen aan vinyl met behulp van een Stille-koppelingsreactie.
De onderzoekers gebruikten Pd2 (dba) 3 als katalysator en P (o-tol) 3 als ligand. Het doelproduct DSMD-βV is oplosbaar in chloroform (CF) en chloorbenzeen (CB) oplosmiddelen. Bovendien is het thermodynamisch stabiel tot 374° C en ondergaat het een zeer gering gewichtsverlies van ongeveer 5%. Deze kwaliteiten van de doelmaterialen zijn belangrijk om te voldoen aan de verwerkingsvereisten tijdens de fabricage van het apparaat. De volgende afbeelding toont de gedetailleerde synthetische procedure voor de gedimeriseerde kleine molecuuldonor DSMD-βV.
Optische en elektrochemische eigenschappen
Door gebruik te maken van UV-vis absorptiespectra, werd de optische eigenschap van DSMD-βV uitgevoerd, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. De bijbehorende gegevens worden vermeld in de onderstaande tabel.
| molecule | ε (M-1 cm-1) | λpiek, sol (m) | λpiek, film (m) | λfilm, begin (m) | Eg, opt (eV) | EHOMO (eV) | EDE WERELD (eV) |
| DSMD-βV | 1.20 × 105 | 447, 659 | 536, 744 | 858 | 1.45 | -5.55 | -3.55 |
Waarnemingen
- In de oplossingstoestandDSMD-βV vertoont een brede absorptiebereik van 350-800 nm met 2 karakteristieke absorptiebanden.
- Het langgolvige gebied van het absorptiebereik duidde op intramoleculaire ladingsoverdrachtsprocessen.
- De kenmerkende absorptieband kan worden toegeschreven aan de gelokaliseerde π-π* elektronische overgangen.
- De maximale molaire absorptiecoëfficiënt van DSMD-βV is vastbesloten om te zijn 1.20×105 M−1 cm−1 volgens de wet van Lemberger.
- In de film staathet absorptiespectrum DSMD-βV vertoonde een 80 nm roodverschuiving dan in de oplossingstoestand.
- Ook was er een toename in de intensiteit van de absorptiepieken met lange golflengten.
- Volgens de absorptierand van de DSMD-βV-film is de berekende optische opening (bijv. opt) 1.45 eV.
- Er werd een bepaald aggregatiegedrag waargenomen in DSMD-βV en onderzoekers denken dat dit de morfologie van de actieve laag kan reguleren.
- Bij golflengten van 350-570 nm en 640-780 nm werd een uitstekende absorptiecomplementariteit waargenomen met PM6 en BTP-eC9.
Korte opmerking : Uitstekende absorptiecomplementariteit is belangrijk voor het verbeteren van de kortsluitstroomdichtheid van ternaire componenten.
ETL-gebaseerde bifaciale perovskietzonnecellen voor flexibele apparaten: een simulatiestudie
Verschillende methoden gebruikt in het experiment
- Onderzoekers hebben ook de temperatuur-afhankelijke absorptie gekarakteriseerd om de aggregatie-eigenschappen van DSMD-βV in oplossing te evalueren.
- Ook werd met behulp van de cyclische voltammetrie (CV)-methode het energieniveau van DSMD-βV bepaald.
- Het HOMO-niveau lag rond de -5.55 eV en werd berekend met behulp van CV-curven op basis van het beginpotentiaal van het initiële oxidatieproces.
- Het initiële reductiepotentieel werd gebruikt om het laagste onbezette moleculaire orbitaal (LUMO)-niveau af te leiden, dat werd geschat op -3.55 eV.
- Bovendien werden de HOMO- en LUMO-energieniveaus tussen PM6 en BTP-eC9 gepositioneerd, waardoor een cascade-energieniveau-indeling in het ternaire mengsysteem mogelijk werd.
Morfologie Analyse
Er bestaat een nauwe en directe relatie tussen de morfologie van de actieve laag en de algehele prestaties van het apparaat . Deze speelt een belangrijke rol bij het bepalen van de efficiëntie van de organische zonnecellen (OSC's). Om de impact van de toevoeging van DSMD-βV op de morfologische eigenschappen volledig te begrijpen, hebben onderzoekers een uitgebreid onderzoek uitgevoerd naar drie verschillende filmmengsels. Het belangrijkste doel hiervan was om een diepgaand inzicht te verkrijgen in de effecten die optreden als gevolg van de toevoeging van DSMD-βV.
Waarnemingen
- Volgens de resultaten van de atoomkrachtmicroscoop (AFM) kunnen de micromorfologische eigenschappen van de actieve laag effectief worden gereguleerd door de toevoeging van DSMD-βV in het binaire systeem.
- De root-mean-square ruwheid (RMS) van de drie films waren: DSMD-βV:BTP-eC9 (1.43), PMT:BTP-eC9 (1.48) en PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 (1.28). Snelle notitie: De kleine RMS-waarden geven de compatibele vermenging van DSMD-βV met het hostsysteem aan.
- A Er werd een uniforme oppervlaktemorfologie waargenomen in de op PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 gebaseerde ternaire blendfilm dan de op PM6:BTP-eC9 gebaseerde film.
- Volgens de transmissie-elektronenmicroscoop (TEM), duidelijke fasescheiding morfologie werd waargenomen in DSMD-βV:BTP-eC9-gebaseerde film.
- Na het introduceren van het gastmolecuul DSMD-βV in het gastheer PM6:BTP-eC9-systeem, was er een verbetering in de fasescheiding van PM6:DSMD-βV:BTP-eC9-gebaseerde film.
- Er is een mogelijkheid van verbeterde excitondissociatie en ladingstransport voor betere JSC en FF met verbeterde stacking en fasescheiding.
Op basis van deze informatie hebben onderzoekers aangetoond dat het gastmolecuul de potentie heeft om als 3e component te dienen. En dan specifiek in het reguleren van micromorfologische eigenschappen van de actieve laag.
NREL ontwikkelt windturbinebladen van recyclebare hars
Prestaties van de fotovoltaïsche installatie na toevoeging van 3rd molecule
Onderzoekers gebruikten verschillende actieve lagen om de organische zonnecelapparaten te maken en te bestuderen, namelijk PM6:DSMD-βV:BTP-eC9, PM6:BTP-eC9 en DSMD-βV:BTP-eC9. De apparaatstructuur bestond uit ITO/PEDOT:PSS/actieve laag/PDINN/Ag. De volgende afbeelding geeft de gekarakteriseerde PV-prestatie- en JV-curvegegevens weer.
| Apparaten | VOC (V) | JSC (mA·cm-2) | FFsss (%) | PCEa (%) | Jpaard (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 |
Waarnemingen
- Door de toevoeging van gastmoleculen aan het PM6:BTP-eC9-systeem zijn er verbeteringen opgetreden in de FF-, VOC- en JSC-waarden.
- VOC vertoont verbeteringen vanwege lagere HOMO-energieniveaus.
- Bovendien zijn JSC en FF verbeterd dankzij de optimalisatie van de structuur van de actieve laag en de energieniveaus.
- De vermogensomzettingsefficiëntie (PCE) van het PM6:DSMD-βV:BTP-eC9-apparaat bedroeg 18.26%.
- Apparaten op basis van DSMD-βV:BTP-eC9 en PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 behaalden externe kwantumrendementcurven (EQE) over een golflengte van 300-1000 nm, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.
- PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 ternaire apparaten EQE-curven vertoonden hogere curvecontouren dan PM6:BTP-eC9-gebaseerde apparaten. Dit duidt op een verbeterd fotonvangvermogen van het apparaat, wat leidt tot verbeterde JSC.
Om FF en JSC-verbetering in ternaire OSC te begrijpen, analyseerden onderzoekers bovendien de fysica van het apparaat. Vervolgens onderzochten onderzoekers trap-assisted recombinatie door VOC en variërende Plight te correleren.
- Over het geheel genomen zorgde de introductie van DSMD-βV voor een effectieve afname van de trap-geassisteerde recombinatie, wat leidde tot een superieure JSC.
- Vervolgens hadden de ladingstransportmogelijkheden invloed op de prestaties van het apparaat.
- Hogere FF, PCE en JSC werden verkregen dankzij de evenwichtige en bevredigende mobiliteit van de ternaire apparaten.
- Er kan meer onderdrukking van ladingsrecombinatie tijdens ladingstransport zijn met de introductie van DSMD-βV. Dit zou JSC verder kunnen verbeteren.
- Een lange carrier-levensduur wordt waargenomen in het DSMD-βV:BTP-eC9-apparaat, maar een trage carrier-extractiecapaciteit. Dit veroorzaakt recombinatie en resulteert in slechte PV-prestaties.
Duurzame nanogenerator van gerecyclede zwavel uit aardolieafval
Transient Photocurrent (TPC) en Transient Photovoltage (TPV) testen
Onderzoekers bestudeerden de extractietijd van de drager en de levensduur van de drager door middel van TPC- en TPV-testen.
Waarnemingen
| Soorten films | DSMD-βV:BTP-eC9 | PM6:BTP-eC9 | PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 |
| TPC-curven – Extractietijd (ts) | 0.77 μs | 0.62 μs | 0.66 μs |
| TPV-curven – Extractietijd (ts) | 0.50 μs | 0.24 μs | 0.23 μs |
Conclusie
Onderzoekers concludeerden dus dat het nieuw ontwikkelde donormateriaal DSMD-βV, ontwikkeld uit de combinatie van 2 kleine molecuuldonoren, verschillende kenmerken heeft. Het heeft een breed absorptiebereik, een sterk aggregatievermogen en lage HOMO-energieniveaus. In vergelijking met BTP-eC9 en PM6, apparaten, heeft het nieuw ontwikkelde materiaal een complementaire absorptie- en energieniveau-indeling. Bovendien leidt het tot een verbetering van de prestaties tot 18.26%, wat hoger is dan binaire apparaten. Er kan dus worden geconcludeerd dat de dimere kleine molecuuldonor het potentieel heeft om ternaire OSC's efficiënt te maken.
Bron : Gedimeriseerde donormoleculen maken efficiënte ternaire organische zonnecellen mogelijk
