Dimeryzowane małe cząsteczki osiągają wydajność 18.12% w ogniwach słonecznych organicznych trójskładnikowych

Aby uzyskać wydajne organiczne ogniwa słoneczne (OSC), trójskładnikowe OSC są wykonalną i wydajną opcją. Ważne jest opracowanie lepszego trzeciego komponentu dla wydajnego trójskładnikowego OSC. Naukowcy opracowali nową cząsteczkę na potrzeby tego badania i odkryli, że dimeryzowane małe cząsteczki mogą zwiększyć wydajność trójskładnikowych OSC

Nowa cząsteczka wykazuje komplementarną absorpcję wraz z poziomami energii, które mogą pasować do PM5 i BTP-eC9. Co więcej, może również kontrolować układ PM6:BTP-eC9. Lepsza dysocjacja ekscytonów, mniejsza rekombinacja i lepszy transport ładunku mają miejsce przy użyciu PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 w urządzeniu trójkowym. To dodatkowo doprowadziło do wyższej wydajności konwersji mocy, około 18.26%. Ten poziom przewyższa poprzednią wydajność binarnego PM6:BTP-eC9, która wynosiła 17.63%.

Cel badania:Aby wykazać potencjał dimeryzowanych małych donorów cząsteczek dla potrójnych organicznych ogniw słonecznych (OSC).

Dimeryzowane małe cząsteczki mogą zwiększyć wydajność trójskładnikowych komórek OSC: w jaki sposób?

Naukowcy preferują organiczne ogniwa słoneczne jako obiecujący nowy wpis w technologii PV. Posiada charakterystyczne zalety, takie jak przezroczystość, elastyczność i lekka konstrukcja. Dzięki ostatnim postępom w materiały akceptorowe niefulerenowe i technologii przygotowania urządzeń, wprowadzono istotne usprawnienia w zakresie wydajności fotowoltaicznej ogniw OSC.

Ponadto przyjęcie strategii wieloskładnikowej w podejściu trójkowym znacznie zwiększyło wydajność konwersji mocy (OCE) urządzeń. Oczywiste jest, że dodanie trzeciego składnika gościa do systemu binarnego hosta podczas konstruowania trójkowych OSC ma wiele zalet.

Dodanie an odpowiedni 3. składnik może utrzymać prostą obróbkę urządzenia jednozłączowego. To dodatkowo pomaga w osiągnięciu lepszej gęstości prądu zwarciowego (Jsc). Następnie możliwe jest kontrolowanie mikromorfologii i krystaliczności warstwy aktywnej. To dodatkowo ułatwia dysocjację ekscytonów. Zwiększa to wyjątkowe wartości JSC, współczynnika wypełnienia (FF) i transportu ładunku.

Układy poziomów energetycznych i rekombinacja nieradiacyjna są również dotknięte i optymalizują napięcie obwodu otwartego (VOC). Staje się to dodatkowym kanałem transportowym, który może poprawić transfer ładunku.

Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy określaniu idealnego trzeciego komponentu.

• Zakres absorpcji uzupełniającej
• Odpowiednie rozmieszczenie poziomów energii
• Optymalizacja morfologii warstwy aktywnej

Ważne jest zaprojektowanie i opracowanie pasującego 3. komponentu, aby skutecznie zrealizować wyżej wymienione czynniki. Również w celu optymalizacji parametrów PV OSC.

Obserwacje z poprzednich badań O zdimeryzowanej małej cząsteczce jako trzeciej cząsteczce

Formuła warstwy aktywnej w trójskładnikowych niefulerenowych OSC obejmuje dodanie 2 różnych materiałów donorowych. oba mają pojedynczy akceptor i pojedynczy donor z 2 różnymi materiałami akceptorowymi.

Trzeci składnik, taki jak materiały oligomeryczne lub polimery, może odgrywać ważną rolę. Badania z oligomerycznym materiałem donorowym jako trzecim składnikiem są ograniczone, mimo że mogą skutecznie poprawić wydajność urządzeń. Jak wykazały badania, oligomeryczne materiały donorowe przetworzone zielonym rozpuszczalnikiem są w stanie osiągnąć wyższy PCE w trójskładnikowych OSC.

W tym badaniu zaprojektowano i zsyntetyzowano dimeryzowanego donora małych cząsteczek, łącząc 2 asymetryczne donory małych cząsteczek z grupą winylową. Dimeryzowanego donora małych cząsteczek określa się jako DSMD-βV i ma on następujące właściwości.

• Posiada szeroki zakres absorpcji wynoszący 300–900 nm.
• Posiada najwyższy poziom energetyczny zajętego orbitalu molekularnego (HOMO), -5.55 eV.
• Silna zdolność agregacji od stanu roztworu do stanu filmu

Ponadto badacze przyjęli system PM6:BTP-eC9 jako macierz binarną. Co wraz z komplementarną absorpcją dimeryzowanych cząsteczek tworzy korzystne podstawy jako 3. składnik do opracowywania wydajnych organicznych ogniw słonecznych trójskładnikowych.

Ogniwo słoneczne kontra panel słoneczny – poznaj kluczowe różnice

Jakość uzyskana po dodaniu DSMD-βV

• Poprawia rozdział faz mikromorfologii filmu opartego na PM6:BTP-eC9
• Popraw transport ładunku i dysocjację ekscytonów
• Wydajność wzrosła do 18.26%.

Wyniki i dyskusja:Wykorzystanie dimeryzowanej małej cząsteczki w celu zwiększenia wydajności trójskładnikowych OSC

Synteza i Charakterystyka Nowego Urządzenia

Naukowcy zsyntetyzowali asymetryczny mały donor z grupą końcową podstawioną bromem, aby stworzyć związek (9). Następnie użyli tego związku do syntezy produktu docelowego DSMD-βV, sprzęgając go z winylem za pomocą reakcji sprzęgania Stille'a.

Naukowcy użyli Pd2 (dba) 3 jako katalizatora i P (o-tol) 3 jako ligandu. Produkt docelowy DSMD-βV jest rozpuszczalny w rozpuszczalnikach chloroformu (CF) i chlorobenzenu (CB). Ponadto jest termodynamicznie stabilny do 374° C i ulega bardzo małej utracie masy, wynoszącej około 5%. Te właściwości materiałów docelowych są ważne dla spełnienia wymagań przetwarzania podczas wytwarzania urządzenia. Poniższy rysunek przedstawia szczegółową procedurę syntezy dla dimeryzowanego donora małej cząsteczki DSMD-βV.

Polimery ligniny kontrolują wychwytywanie, uwalnianie i konwersję CO2, odkryli naukowcy z FSMU-FSU

Właściwości optyczne i elektrochemiczne

Korzystając z widm absorpcji UV-vis, przeprowadzono badanie właściwości optycznych DSMD-βV, jak pokazano na poniższym rysunku. Odpowiednie dane podano w poniższej tabeli.

Cząsteczka	ε (M-1 cm-1)	λszczyt, sol (m)	λszczyt, film (m)	λfilm, początek (m)	Eg, wybierz (EV)	EHOMO (EV)	ELUMO (EV)
DSMD-βV	× 1.20 105	447, 659	536, 744	858	1.45	-5.55	-3.55

Komentarze

• W stan rozwiązania, DSMD-βV wykazuje szeroki zakres absorpcji 350-800 nm z 2 charakterystycznymi pasmami absorpcyjnymi.
• Długofalowy obszar absorpcji wskazywał na wewnątrzcząsteczkowe procesy przenoszenia ładunku.
• Charakterystyczne pasmo absorpcyjne można przypisać zlokalizowanym przejściom elektronowym π-π*.
• Maksymalny molowy współczynnik absorpcji DSMD-βV jest zdeterminowany, aby być 1.20×105 M−1 cm−1 zgodnie z prawem Lembergera.
• W stan filmuwidmo absorpcyjne DSMD-βV wykazało 80 nm przesunięcie ku czerwieni niż w stanie roztworu.
• Zaobserwowano również wzrost intensywności pików absorpcji fal długich.
• Zgodnie z krawędzią absorpcji filmu DSMD-βV obliczona przerwa optyczna (Eg, opt) wynosi 1.45 eV.
• W przypadku DSMD-βV zaobserwowano pewne zachowanie agregacyjne, które zdaniem naukowców może regulować morfologię warstwy aktywnej.
• W zakresie długości fal 350–570 nm i 640–780 nm zaobserwowano doskonałą komplementarność absorpcji PM6 i BTP-eC9.

Krótka notatka – Doskonała komplementarność absorpcyjna jest ważna dla poprawy gęstości zwarć elementów trójskładnikowych.

Dwustronne ogniwa słoneczne z perowskitu na bazie ETL do elastycznych urządzeń: badanie symulacyjne

Różne metody stosowane w eksperymencie

• Naukowcy scharakteryzowali również absorpcję zależną od temperatury, aby ocenić właściwości agregacyjne DSMD-βV w roztworze.
• Ponadto, przy użyciu metody woltamperometrii cyklicznej (CV), wyznaczono poziom energetyczny DSMD-βV.
• Poziom HOMO wynosił około −5.55 eV i został obliczony za pomocą krzywych CV na podstawie potencjału początkowego początkowego procesu utleniania.
• Początkowy potencjał redukcyjny posłużył do wyznaczenia najniższego niezajętego poziomu orbitalu molekularnego (LUMO), który oszacowano na −3.55 eV.
• Ponadto poziomy energetyczne HOMO i LUMO umiejscowiono pomiędzy PM6 i BTP-eC9, co pozwoliło na kaskadowe uporządkowanie poziomów energetycznych w układzie mieszanym potrójnym.

Analiza morfologiczna

Tam jest ścisły i bezpośredni związek pomiędzy morfologią warstwy aktywnej a ogólną wydajnością urządzenia. Odgrywa ważną rolę w określaniu wydajności OSC. Aby w pełni zrozumieć wpływ dodania DSMD-βV na właściwości morfologiczne, naukowcy przeprowadzili kompleksowe badanie 3 różnych mieszanek filmów. Głównym celem było uzyskanie dogłębnego zrozumienia efektów zachodzących w wyniku dodania DSMD-βV.

Komentarze

• Zgodnie z wynikami uzyskanymi za pomocą mikroskopu sił atomowych (AFM), właściwości mikromorfologiczne warstwy aktywnej można skutecznie regulować poprzez dodanie DSMD-βV w układzie binarnym.
• chropowatość średniokwadratowa (RMS) trzech filmów wynosiły: DSMD-βV:BTP-eC9 (1.43), PMT:BTP-eC9 (1.48) i PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 (1.28). Krótka notatka:Małe wartości RMS wskazują na zgodność mieszania się DSMD-βV z systemem gospodarza.
• A zaobserwowano jednolitą morfologię powierzchni W filmie mieszanym trójskładnikowym na bazie PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 jest on lepszy niż w filmie na bazie PM6:BTP-eC9.
• Zgodnie z transmisyjnym mikroskopem elektronowym (TEM), oczywiste rozdzielenie faz morfologię obserwowano w filmie na bazie DSMD-βV:BTP-eC9.
• Po wprowadzeniu cząsteczki gościa DSMD-βV do systemu gospodarza PM6:BTP-eC9 zaobserwowano poprawa rozdziału faz filmu na bazie PM6:DSMD-βV:BTP-eC9.
• Istnieje możliwość ulepszona dysocjacja ekscytonów i transport ładunku dla lepszych JSC i FF z ulepszonym układaniem w stosy i separacją faz.

Tak więc na podstawie tych informacji badacze wykazali, że cząsteczka gościa ma potencjał, aby służyć jako 3. składnik. Również w szczególności w regulowaniu właściwości mikromorfologicznych warstwy aktywnej.

NREL opracowuje łopatki turbin wiatrowych z żywicy nadającej się do recyklingu

Wydajność ogniwa fotowoltaicznego po dodaniu 3^rd Cząsteczka

Naukowcy użyli różnych warstw aktywnych do wytworzenia i zbadania organicznych ogniw słonecznych, mianowicie PM6:DSMD-βV:BTP-eC9, PM6:BTP-eC9 i DSMD-βV:BTP-eC9. Struktura urządzenia składała się z ITO/PEDOT:PSS/warstwa aktywna/PDINN/Ag. Poniższy rysunek przedstawia scharakteryzowane dane dotyczące wydajności PV i krzywych JV.

urządzenia	VOC (V)	JSC (mA cm-2)	Kurdeee ... (%)	PCEa (%)	Jwapno (mA cm-2)
DSMD-βW: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-βW:BTP-eC9	0.846	27.46	78.59	18.26 (18.15 ± 0.06)	26.54

Komentarze

• Dodanie cząsteczki gościa do systemu PM6:BTP-eC9 spowodowało poprawę FF, VOC i JSC.
• Stężenie LZO poprawia się ze względu na niższy poziom energii HOMO.
• Dodatkowo JSC i FF uległy poprawie dzięki optymalizacji struktury warstwy aktywnej i poziomów energetycznych.
• Sprawność konwersji energii (PCE) urządzenia PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 osiągnęła 18.26%.
• Urządzenia bazujące na DSMD-βV:BTP-eC9 i PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 uzyskały krzywe zewnętrznej wydajności kwantowej (EQE) dla długości fali 300–1000 nm, jak pokazano na poniższym rysunku.
• Krzywe EQE urządzeń trójskładnikowych PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 wykazały wyższe kontury krzywych niż urządzenia oparte na PM6:BTP-eC9. Wskazuje to na ulepszoną zdolność urządzenia do przechwytywania fotonów, co prowadzi do ulepszonego JSC.

Ponadto, aby zrozumieć wzmocnienie FF i JSC w trójskładnikowym OSC, badacze przeanalizowali fizykę urządzenia. Następnie, korelując VOC i zmieniając Plight, badacze zbadali rekombinację wspomaganą pułapką.

• Ogólnie rzecz biorąc, wprowadzenie DSMD-βV skutecznie zmniejszyło rekombinację wspomaganą pułapką, co pozwoliło na osiągnięcie lepszego JSC.
• Następnie zdolność transportu ładunku wpłynęła na wydajność urządzenia.
• Wyższe wartości FF, PCE i JSC uzyskano dzięki zrównoważonej i zadowalającej mobilności urządzeń trójskładnikowych.
• Może być więcej tłumienia rekombinacji ładunku podczas transportu ładunku z wprowadzeniem DSMD-βV. To mogłoby dodatkowo wzmocnić JSC.
• W urządzeniu DSMD-βV:BTP-eC9 obserwuje się długi czas życia nośników, ale powolną zdolność ekstrakcji nośników. Powoduje to rekombinację i skutkuje słabą wydajnością PV.

Zrównoważony nanogenerator z siarki pochodzącej z odpadów naftowych

Testy przejściowego fotoprądu (TPC) i przejściowego fotonapięcia (TPV)

Naukowcy badali czas ekstrakcji nośnika i jego żywotność za pomocą testów TPC i TPV.

Komentarze

Rodzaje filmów	DSMD-βV:BTP-eC9	PM6:BTP-eC9	PM6:DSMD-βV:BTP-eC9
Krzywe TPC – Czas ekstrakcji (ts)	0.77 μs	0.62 μs	0.66 μs
Krzywe TPV – Czas ekstrakcji (ts)	0.50 μs	0.24 μs	0.23 μs

Podsumowanie

Zatem badacze doszli do wniosku, że nowo opracowany materiał donorowy DSMD-βV, powstały z połączenia 2 małych donorów cząsteczek, ma różne cechy. Ma szeroki zakres absorpcji, silną zdolność agregacji i niskie poziomy energii HOMO. W porównaniu do urządzeń BTP-eC9 i PM6, nowo opracowany ma komplementarne rozmieszczenie absorpcji i poziomów energii. Co więcej, prowadzi to do poprawy wydajności do 18.26%, co jest wartością wyższą niż w przypadku urządzeń binarnych. Zatem można wnioskować, że dimerowy donor małych cząsteczek ma potencjał, aby uczynić potrójne OSC wydajnymi.

Źródło : Zdimeryzowany mały dawca cząsteczek umożliwia wydajne ogniwa słoneczne organiczne potrójne