Para atingir células solares orgânicas (OSCs) de alto desempenho, as OSCs ternárias são uma opção viável e eficiente. É importante desenvolver um terceiro componente melhor para OSCs ternárias eficientes. Pesquisadores desenvolveram uma nova molécula para este estudo e descobriram que pequenas moléculas dimerizadas podem aumentar a eficiência das OSCs ternárias
A nova molécula mostra absorção complementar junto com níveis de energia que podem corresponder a PM5 e BTP-eC9. Além disso, ela também pode controlar o arranjo PM6:BTP-eC9. Melhor dissociação de excitons, menor recombinação e melhor transporte de carga ocorrem usando PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 no dispositivo ternário. Isso levou ainda mais a uma maior eficiência de conversão de energia, em torno de 18.26%. Este nível supera a eficiência anterior do binário PM6:BTP-eC9 que era de 17.63%.
Objetivo do estudo: Demonstrar o potencial de doadores de pequenas moléculas dimerizadas para células solares orgânicas ternárias (OSCs).
Pequena molécula dimerizada pode aumentar a eficiência de OSCs ternários: como?
Os pesquisadores estão preferindo células solares orgânicas como nova entrada promissora na tecnologia PV. Tem vantagens distintas como translucidez, flexibilidade e design leve. Com avanços recentes em materiais não aceitadores de fulereno e tecnologia de preparação de dispositivos, houve melhorias essenciais no desempenho fotovoltaico dos OSCs.
Além disso, a adoção de uma estratégia de múltiplos componentes na abordagem ternária aumentou significativamente a eficiência de conversão de energia (OCE) dos dispositivos. É evidente que a adição de um terceiro componente convidado ao sistema binário host durante a construção de OSCs ternários tem múltiplas vantagens.
A adição de um 3º componente apropriado pode manter a usinagem simples do dispositivo de junção única. Isso ajuda ainda mais a atingir melhor densidade de corrente de curto-circuito (Jsc). Depois, é possível controlar a micromorfologia e a cristalinidade da camada ativa. Isso facilita ainda mais a dissociação de excitons. Ele aprimora valores excelentes de JSC, fator de preenchimento (FF) e transporte de carga.
Arranjos de nível de energia e recombinação não radiativa também são afetados e otimizam a voltagem de circuito aberto (VOC). Ela se torna um canal de transporte adicional que pode melhorar a transferência de carga.
Fatores a serem considerados para um 3º componente ideal.
- Faixa de absorção complementar
- Arranjos apropriados de níveis de energia
- Otimização da morfologia da camada ativa
É importante projetar e desenvolver um 3º componente correspondente para efetivamente realizar os fatores acima mencionados. Também, para otimizar os parâmetros PV dos OSCs.
Observação de Estudos Anteriores Sobre a pequena molécula dimerizada como 3ª molécula
A formulação da camada ativa em OSCs não fulerenos ternários envolve a adição de 2 materiais doadores diferentes. Eles ambos têm um único aceitador e um único doador com 2 materiais aceitadores diferentes.
O terceiro componente, como materiais oligoméricos ou polímeros, pode desempenhar um papel importante. A pesquisa com material doador oligomérico como o terceiro componente é limitada, embora possa efetivamente melhorar a eficiência dos dispositivos. Conforme pesquisado, materiais doadores oligoméricos processados com solvente verde são capazes de atingir PCE mais alto em OSCs ternários.
Nesta pesquisa, um doador de molécula pequena dimerizado foi projetado e sintetizado conectando 2 doadores de molécula pequena assimétricos com o grupo vinil. O doador de molécula pequena dimerizado é chamado de DSMD-βV e tem as seguintes qualidades.
- Possui uma ampla faixa de absorção de 300-900 nm.
- Tem o maior nível de energia do orbital molecular ocupado (HOMO), -5.55 eV.
- Forte capacidade de agregação da solução ao estado do filme
Além disso, os pesquisadores adotaram o sistema PM6:BTP-eC9 como a matriz binária. Que com absorção complementar de moléculas dimerizadas estabelece uma base favorável como o 3º componente para o desenvolvimento de células solares orgânicas ternárias eficientes.
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Qualidades obtidas após adição de DSMD-βV
- Melhora a separação de fases da micromorfologia do filme baseado em PM6:BTP-eC9
- Melhorar o transporte de carga e a dissociação do éxciton
- O desempenho aumentou para 18.26%.
Resultados e discussão: Usando Molécula Pequena Dimerizada para Aumentar a Eficiência de OSCs Ternários
Síntese e Caracterização do Novo Dispositivo
Os pesquisadores sintetizaram um pequeno doador assimétrico com um grupo final substituído por bromo para criar o composto (9). Então eles usaram esse composto para sintetizar o produto alvo DSMD-βV, acoplando-o com vinil usando uma reação de acoplamento de Stille.
Os pesquisadores usaram Pd2 (dba) 3 como catalisador e P (o-tol) 3 como ligante. O produto alvo DSMD-βV é solúvel em solventes clorofórmio (CF) e clorobenzeno (CB). Além disso, é termodinamicamente estável para até 374° C e sofre muito pouca perda de peso de cerca de 5%. Essas qualidades dos materiais alvo são importantes para atender aos requisitos de processamento durante a fabricação do dispositivo. A figura a seguir mostra o procedimento sintético detalhado para o doador de molécula pequena dimerizada DSMD-βV.
Propriedades ópticas e eletroquímicas
Usando espectros de absorção UV-vis, a propriedade óptica do DSMD-βV foi realizada, como mostrado na figura abaixo. Os dados correspondentes são mencionados na tabela abaixo.
| molécula | ε (M-1 cm-1) | λpico, sol (nm) | λpico, filme (nm) | λfilme, início (nm) | Eg, optar (eV) | EHOMO (eV) | ELUMO (eV) |
| DSMD-βV | × 1.20 105 | 447, 659 | 536, 744 | 858 | 1.45 | -5.55 | -3.55 |
Observações
- De acordo com o relatório estado da solução, DSMD-βV mostra uma ampla faixa de absorção de 350-800 nm com 2 bandas de absorção características.
- A região de comprimento de onda longo da faixa de absorção indicou processos de transferência de carga intramolecular.
- A banda de absorção distinta pode ser atribuída às transições eletrônicas π-π* localizadas.
- O coeficiente máximo de absorção molar do DSMD-βV está determinado a ser 1.20×105 M−1 cm−1 pela lei de Lemberger.
- De acordo com o relatório estado do filme, o espectro de absorção DSMD-βV apresentou uma Desvio para o vermelho de 80 nm do que no estado de solução.
- Além disso, houve um aumento na intensidade dos picos de absorção de comprimento de onda longo.
- De acordo com a borda de absorção do filme DSMD-βV, a lacuna óptica calculada (por exemplo, opt) é 1.45 eV.
- Um certo comportamento de agregação foi exibido no DSMD-βV, e os pesquisadores acreditam que ele pode regular a morfologia da camada ativa.
- Durante comprimentos de onda de 350-570 nm e 640-780 nm, excelente complementaridade de absorção foi observada com PM6 e BTP-eC9.
Nota rápida – Excelente complementaridade de absorção é importante para melhorar a densidade de curto-circuito de dispositivos ternários.
Diferentes métodos usados no experimento
- Os pesquisadores também caracterizaram a absorção dependente da temperatura para avaliar as propriedades de agregação do DSMD-βV em solução.
- Além disso, com o método de voltametria cíclica (CV), o nível de energia do DSMD-βV foi determinado.
- O nível de HOMO estava em torno de -5.55 eV e foi calculado por curvas CV com base no potencial de início do processo de oxidação inicial.
- O potencial de redução inicial foi usado para derivar o nível mais baixo do orbital molecular desocupado (LUMO), que foi estimado em -3.55 eV.
- Além disso, os níveis de energia HOMO e LUMO foram posicionados entre PM6 e BTP-eC9, o que permitiu um arranjo de níveis de energia em cascata no sistema de mistura ternária.
Análise Morfológica
Há um relação estreita e direta entre a morfologia da camada ativa e o desempenho geral do dispositivo. Ele desempenha um papel importante na determinação da eficiência dos OSCs. Para compreender completamente o impacto da adição de DSMD-βV nas propriedades morfológicas, os pesquisadores conduziram uma investigação abrangente das 3 diferentes misturas de filmes. O principal objetivo por trás disso era obter uma compreensão profunda dos efeitos que ocorrem devido à adição de DSMD-βV.
Observações
- De acordo com os resultados encontrados pelo microscópio de força atômica (AFM), a propriedade micromorfológica da camada ativa pode ser efetivamente regulada pela adição de DSMD-βV no sistema binário.
- O rugosidade da raiz quadrada média (RMS) dos três filmes foram: DSMD-βV:BTP-eC9 (1.43), PMT:BTP-eC9 (1.48) e PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 (1.28). Nota rápida: Os pequenos valores RMS indicam a mistura compatível de DSMD-βV com o sistema hospedeiro.
- A morfologia de superfície uniforme foi observada no filme de mistura ternária baseado em PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 do que no filme baseado em PM6:BTP-eC9.
- De acordo com o microscópio eletrônico de transmissão (MET), separação de fase óbvia morfologia foi observada em filme baseado em DSMD-βV:BTP-eC9.
- Após a introdução da molécula convidada DSMD-βV no sistema hospedeiro PM6:BTP-eC9, houve uma melhoria na separação de fases de filme baseado em PM6:DSMD-βV:BTP-eC9.
- Existe a possibilidade de dissociação de excitons e transporte de carga melhorados para melhor JSC e FF com empilhamento e separação de fases aprimorados.
Assim, com base nessas informações, os pesquisadores demonstraram que a molécula hóspede tem o potencial de servir como o 3º componente. Isso também, especificamente na regulação de propriedades micromorfológicas da camada ativa.
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Desempenho da energia fotovoltaica após adição de 3rd molécula
Os pesquisadores usaram diferentes camadas ativas para fazer e estudar os dispositivos de células solares orgânicas, a saber, PM6:DSMD-βV:BTP-eC9, PM6:BTP-eC9 e DSMD-βV:BTP-eC9. A estrutura do dispositivo consistia em ITO/PEDOT:PSS/camada ativa/PDINN/Ag. A figura a seguir representa os dados de desempenho PV caracterizados e curvas JV.
| Dispositivos/Instrumentos | VOC (V) | JSC (mA cm-2) | Fffsss (%) | 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 |
Observações
- Com a adição da molécula convidada ao sistema PM6:BTP-eC9, houve melhorias no FF, VOC e JSC.
- O VOC mostra melhorias devido aos menores níveis de energia HOMO.
- Além disso, JSC e FF melhoraram devido à otimização da estrutura da camada ativa e dos níveis de energia.
- A eficiência de conversão de energia (PCE) do dispositivo PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 atingiu 18.26%.
- Dispositivos baseados em DSMD-βV:BTP-eC9 e PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 alcançaram curvas de eficiência quântica externa (EQE) em um comprimento de onda de 300-1000 nm, conforme mostrado na figura abaixo.
- As curvas EQE dos dispositivos ternários PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 mostraram contornos de curva mais altos do que os dispositivos baseados em PM6:BTP-eC9. Isso indica uma capacidade de captura de fótons melhorada do dispositivo, o que leva a um JSC aprimorado.
Além disso, para entender o aprimoramento de FF e JSC em OSC ternário, os pesquisadores analisaram a física do dispositivo. Então, ao correlacionar VOC e Plight variável, os pesquisadores investigaram a recombinação assistida por armadilha.
- No geral, a introdução do DSMD-βV diminuiu efetivamente a recombinação assistida por armadilha para atingir JSC superior.
- Então, as capacidades de transporte de carga influenciaram o desempenho do dispositivo.
- Maiores FF, PCE e JSC foram obtidos devido à mobilidade equilibrada e satisfatória dos dispositivos ternários.
- Pode haver mais supressão de recombinação de carga durante o transporte de carga com a introdução de DSMD-βV. Isso poderia melhorar ainda mais o JSC.
- Uma longa vida útil do portador é observada no dispositivo DSMD-βV:BTP-eC9, mas uma capacidade lenta de extração do portador. Isso causa recombinação e resulta em desempenho PV ruim.
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Testes de Fotocorrente Transiente (TPC) e Fotovoltagem Transiente (TPV)
Os pesquisadores estudaram o tempo de extração do transportador e a vida útil do transportador por meio de testes de TPC e TPV.
Observações
| Tipos de filmes | DSMD-βV:BTP-eC9 | PM6:BTP-eC9 | PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 |
| Curvas TPC – Tempo de extração (ts) | 0.77 μs | 0.62 μs | 0.66 μs |
| Curvas TPV – Tempo de extração (ts) | 0.50 μs | 0.24 μs | 0.23 μs |
Conclusão
Então, os pesquisadores concluíram que o material doador recém-desenvolvido DSMD-βV desenvolvido a partir da combinação de 2 doadores de moléculas pequenas tem várias características. Ele tem uma ampla faixa de absorção, forte capacidade de agregação e baixos níveis de energia HOMO. Em comparação com os dispositivos BTP-eC9 e PM6, o recém-desenvolvido tem absorção complementar e arranjo de nível de energia. Além disso, ele leva a uma melhoria do desempenho de até 18.26%, o que é maior do que os dispositivos binários. Assim, pode-se concluir que o doador de molécula pequena dimérica tem o potencial de tornar OSCs ternários eficientes.
fonte: Doador de pequenas moléculas dimerizadas permite células solares orgânicas ternárias eficientes
