Для достижения высокопроизводительных органических солнечных элементов (OSC) тройные OSC являются осуществимым и эффективным вариантом. Важно разработать лучший 3-й компонент для эффективных тройных OSC. Исследователи разработали новую молекулу для этого исследования и обнаружили, что димеризованная малая молекула может повысить эффективность тройных OSC
Новая молекула демонстрирует комплементарное поглощение вместе с уровнями энергии, которые могут соответствовать PM5 и BTP-eC9. Более того, она также может контролировать расположение PM6:BTP-eC9. Лучшая диссоциация экситона, меньшая рекомбинация и лучший перенос заряда происходят при использовании PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 в тройном устройстве. Это дополнительно привело к более высокой эффективности преобразования мощности, около 18.26%. Этот уровень превосходит предыдущую эффективность бинарного PM6:BTP-eC9, которая составляла 17.63%.
Цель исследования : продемонстрировать потенциал димеризованных доноров на основе малых молекул для тройных органических солнечных элементов (ОСЭ).
Димеризованная малая молекула может повысить эффективность тройных ОСЦ: как?
Исследователи отдают предпочтение органическим солнечным элементам как перспективному новому направлению в фотоэлектрической технологии. Они обладают такими существенными преимуществами, как прозрачность, гибкость и малый вес. Благодаря недавним достижениям в области нефулереновых акцепторных материалов и технологий изготовления устройств, значительно улучшились фотоэлектрические характеристики органических солнечных элементов.
Кроме того, принятие многокомпонентной стратегии в тройном подходе значительно увеличило эффективность преобразования мощности (OCE) устройств. Очевидно, что добавление третьего гостевого компонента к двоичной системе хоста при построении тройных OSC имеет множество преимуществ.
Добавление соответствующего третьего компонента позволяет сохранить простоту обработки однопереходного устройства. Это дополнительно способствует достижению лучшей плотности тока короткого замыкания (Jsc). Впоследствии становится возможным контролировать микроморфологию и кристалличность активного слоя. Это дополнительно облегчает диссоциацию экситонов. Это улучшает выдающиеся значения JSC, коэффициента заполнения (FF) и переноса заряда.
Также затрагиваются энергетические уровни и безызлучательная рекомбинация, что оптимизирует напряжение холостого хода (VOC). Это становится дополнительным транспортным каналом, который может улучшить перенос заряда.
Факторы, которые следует учитывать при выборе идеального третьего компонента.
- Дополнительный диапазон поглощения
- Соответствующее распределение уровней энергии
- Оптимизация морфологии активного слоя
Важно спроектировать и разработать соответствующий 3-й компонент для эффективной реализации вышеупомянутых факторов. Также, для оптимизации параметров фотоэлектрических систем OSC.
Наблюдение предыдущих исследований О димеризованной малой молекуле как третьей молекуле
В тройных нефулереновых органических солнечных элементах активный слой формируется путем добавления двух различных донорных материалов. Оба материала содержат один акцептор и один донор, причем оба акцепторных материала являются разными.
Третий компонент, такой как олигомерные материалы или полимеры, может играть важную роль. Исследования с олигомерным донорным материалом в качестве третьего компонента ограничены, хотя он может эффективно повысить эффективность устройств. Согласно исследованиям, олигомерные донорные материалы, обработанные зеленым растворителем, способны достигать более высокого PCE в тройных OSC.
В этом исследовании димеризованный донор малых молекул был разработан и синтезирован путем соединения 2 асимметричных доноров малых молекул с винильной группой. Димеризованный донор малых молекул называется DSMD-βV и обладает следующими качествами.
- Имеет широкий диапазон поглощения от 300 до 900 нм.
- Имеет самый высокий энергетический уровень занятой молекулярной орбитали (HOMO), -5.55 эВ.
- Высокая способность к агрегации от раствора до состояния пленки
Далее исследователи приняли систему PM6:BTP-eC9 в качестве бинарной матрицы. Которая с дополнительным поглощением димеризованных молекул устанавливает благоприятную основу в качестве 3-го компонента для разработки эффективных тройных органических солнечных элементов.
Солнечный элемент против солнечной панели – изучение ключевых различий
Качества, достигнутые после добавления DSMD-βV
- Улучшает фазовое разделение микроморфологии пленки на основе PM6:BTP-eC9
- Улучшение переноса заряда и диссоциации экситонов
- Производительность возросла до 18.26%.
Результаты и обсуждение: Использование димеризованных малых молекул для повышения эффективности тройных OSC
Синтез и характеристика нового устройства
Исследователи синтезировали асимметричный малый донор с замещенной бромом концевой группой для создания соединения (9). Затем они использовали это соединение для синтеза целевого продукта DSMD-βV, связав его с винилом с помощью реакции Стилле-сочетания.
Исследователи использовали Pd2 (dba) 3 в качестве катализатора и P (o-tol) 3 в качестве лиганда. Целевой продукт DSMD-βV растворим в хлороформе (CF) и хлорбензоле (CB). Кроме того, он термодинамически стабилен до 374° C и претерпевает очень небольшую потерю веса около 5%. Эти качества целевых материалов важны для соответствия требованиям обработки во время изготовления устройства. На следующем рисунке показана подробная процедура синтеза для димеризованного донора малых молекул DSMD-βV.
Оптические и электрохимические свойства
Используя спектры поглощения УФ-видимого диапазона, оптические свойства DSMD-βV были получены, как показано на рисунке ниже. Соответствующие данные приведены в таблице ниже.
| молекула | ε (M-1 cm-1) | λпик, соль (Нм) | λпик, фильм (Нм) | λфильм, начало (Нм) | Eг, опт. (эВ) | EHOMO (эВ) | EЛЮМО (эВ) |
| DSMD-βV | 1.20 × 105 | 447, 659 | 536, 744 | 858 | 1.45 | -5.55 | -3.55 |
Наблюдения
- В состояние решения, DSMD-βV показывает широкий Диапазон поглощения от 350 до 800 нм с 2 характерными полосами поглощения.
- Длинноволновая область спектра поглощения указывает на процессы внутримолекулярного переноса заряда.
- Характерную полосу поглощения можно приписать локализованным π-π* электронным переходам.
- Максимальный молярный коэффициент поглощения DSMD-βV полон решимости быть 1.20×105 М−1 см−1 по закону Лембергера.
- В состояние фильма, спектр поглощения DSMD-βV показал Красное смещение 80 нм чем в растворенном состоянии.
- Также наблюдалось увеличение интенсивности длинноволновых пиков поглощения.
- Согласно краю поглощения пленки DSMD-βV, расчетная оптическая щель (Eg, opt) составляет 1.45 eV.
- Определенное агрегационное поведение было продемонстрировано в DSMD-βV, и исследователи полагают, что оно может регулировать морфологию активного слоя.
- В диапазонах длин волн 350–570 нм и 640–780 нм наблюдалась превосходная комплементарность поглощения PM6 и BTP-eC9.
Краткое замечание : Отличная взаимодополняемость поглощения важна для повышения плотности короткого замыкания в тройных устройствах.
Различные методы, использованные в эксперименте
- Исследователи также охарактеризовали температурно-зависимое поглощение, чтобы оценить агрегационные свойства DSMD-βV в растворе.
- Также методом циклической вольтамперометрии (ЦВА) был определен энергетический уровень DSMD-βV.
- Уровень HOMO составил около -5.55 эВ и был рассчитан по кривым CV на основе начального потенциала начального процесса окисления.
- Начальный восстановительный потенциал использовался для определения самого низкого уровня свободной молекулярной орбитали (LUMO), который оценивался в -3.55 эВ.
- Кроме того, уровни энергии HOMO и LUMO были расположены между PM6 и BTP-eC9, что позволило организовать каскадное расположение уровней энергии в системе тройной смеси.
Морфологический анализ
Существует тесная и прямая связь между морфологией активного слоя и общей производительностью устройства . Она играет важную роль в определении эффективности органических солнечных элементов. Для полного понимания влияния добавления DSMD-βV на морфологические свойства исследователи провели всестороннее исследование трех различных смесей пленок. Главная цель этого исследования заключалась в получении глубокого понимания эффектов, возникающих в результате добавления DSMD-βV.
Наблюдения
- Согласно результатам, полученным с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ), микроморфологические свойства активного слоя можно эффективно регулировать путем добавления DSMD-βV в бинарную систему.
- среднеквадратическая шероховатость (RMS) трех пленок были следующими: DSMD-βV:BTP-eC9 (1.43), PMT:BTP-eC9 (1.48) и PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 (1.28). Быстрая заметка: Небольшие значения RMS указывают на совместимое смешивание DSMD-βV с хост-системой.
- A наблюдалась однородная морфология поверхности в тройной смесевой пленке на основе PM6:DSMD-βV:BTP-eC9, чем в пленке на основе PM6:BTP-eC9.
- Согласно данным просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), очевидное разделение фаз морфология наблюдалась в пленке на основе DSMD-βV:BTP-eC9.
- После введения гостевой молекулы DSMD-βV в систему хозяина PM6:BTP-eC9, произошло улучшение фазового разделения пленки на основе PM6:DSMD-βV:BTP-eC9.
- Существует возможность улучшенная диссоциация экситонов и перенос заряда для лучшего JSC и FF с улучшенным стекированием и разделением фаз.
Таким образом, на основе этой информации исследователи продемонстрировали, что гостевая молекула имеет потенциал выступать в качестве третьего компонента, в частности, в регулировании микроморфологических свойств активного слоя.
NREL разрабатывает лопасти ветряных турбин из перерабатываемой смолы
Производительность фотоэлектрической системы после добавления 3rd молекула
Исследователи использовали различные активные слои для создания и изучения органических солнечных элементов, а именно PM6:DSMD-βV:BTP-eC9, PM6:BTP-eC9 и DSMD-βV:BTP-eC9. Структура устройства состояла из ITO/PEDOT:PSS/активный слой/PDINN/Ag. На следующем рисунке представлены охарактеризованные данные о производительности PV и кривых JV.
| Аппараты | VOC (V) | JSC (мА см-2) | Ффсссс (%) | PCEa (%) | Jизвесть (мА см-2) |
| DSMD-βV:БТП-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:БТП-eC9 | 0.846 | 27.46 | 78.59 | 18.26 (18.15 ± 0.06) | 26.54 |
Наблюдения
- Добавление гостевой молекулы к системе PM6:BTP-eC9 привело к улучшению показателей FF, VOC и JSC.
- VOC демонстрирует улучшения за счет более низких уровней энергии HOMO.
- Кроме того, JSC и FF улучшились за счет оптимизации структуры активного слоя и энергетических уровней.
- Эффективность преобразования энергии (PCE) устройства PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 достигла 18.26%.
- Устройства на основе DSMD-βV:BTP-eC9 и PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 достигли кривых внешней квантовой эффективности (EQE) в диапазоне длин волн 300–1000 нм, как показано на рисунке ниже.
- Кривые EQE тройных устройств PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 показали более высокие контуры кривых, чем устройства на основе PM6:BTP-eC9. Это указывает на улучшенную способность устройства захватывать фотоны, что приводит к улучшенному JSC.
Кроме того, чтобы понять улучшение FF и JSC в тройном OSC, исследователи проанализировали физику устройства. Затем, сопоставляя VOC и изменяя Plight, исследователи исследовали рекомбинацию с помощью ловушек.
- В целом, введение DSMD-βV эффективно снизило рекомбинацию с помощью ловушек, что позволило достичь превосходного JSC.
- Затем возможности переноса заряда повлияли на производительность устройства.
- Более высокие показатели FF, PCE и JSC были получены за счет сбалансированной и удовлетворительной подвижности тройных устройств.
- При введении DSMD-βV может быть больше подавления рекомбинации заряда во время переноса заряда. Это может еще больше улучшить JSC.
- В устройстве DSMD-βV:BTP-eC9 наблюдается длительное время жизни носителей, но медленная способность извлечения носителей. Это вызывает рекомбинацию и приводит к плохой производительности PV.
Устойчивый наногенератор из переработанной серы из нефтяных отходов
Испытания переходного фототока (TPC) и переходного фотонапряжения (TPV)
Исследователи изучили время извлечения носителей и срок службы носителей с помощью тестов TPC и TPV.
Наблюдения
| Виды фильмов | DSMD-βV:BTP-eC9 | PM6:BTP-eC9 | PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 |
| Кривые TPC – Время экстракции (ts) | 0.77 мкс | 0.62 мкс | 0.66 мкс |
| Кривые TPV – Время экстракции (ts) | 0.50 мкс | 0.24 мкс | 0.23 мкс |
Заключение
Итак, исследователи пришли к выводу, что недавно разработанный донорный материал DSMD-βV, разработанный из комбинации 2 доноров малых молекул, обладает различными характеристиками. Он имеет широкий диапазон поглощения, сильную способность к агрегации и низкие уровни энергии HOMO. По сравнению с устройствами BTP-eC9 и PM6, недавно разработанный материал имеет комплементарное поглощение и расположение уровней энергии. Более того, это приводит к улучшению производительности до 18.26%, что выше, чем у бинарных устройств. Таким образом, можно сделать вывод, что димерный донор малых молекул имеет потенциал для того, чтобы сделать тройные OSC эффективными.
