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 малых молекул для тройных органических солнечных элементов (ОСЭ).
Димеризованная малая молекула может повысить эффективность тройных ОСЦ: как?
Исследователи отдают предпочтение органическим солнечным элементам в качестве многообещающая новая запись в технологии PV. Он имеет отличительные преимущества, такие как прозрачность, гибкость и легкий дизайн. С последними достижениями в нефуллереновые акцепторные материалы и технологии подготовки устройств, были достигнуты существенные улучшения в производительности фотоэлектрических систем OSC.
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.
Дополнение соответствующий 3-й компонент может поддерживать простую обработку однопереходного устройства. Это дополнительно помогает в достижении лучшей плотности тока короткого замыкания (Jsc). После этого можно контролировать микроморфологию и кристалличность активного слоя. Это дополнительно облегчает диссоциацию экситонов. Это улучшает выдающиеся значения JSC, фактора 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
Формула активного слоя в тройных нефуллереновых OSC включает добавление 2 различных донорных материалов. Они оба имеют один акцептор и один донор с 2 различными акцепторными материалами.
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.
Быстрая заметка – Отличная комплементарность поглощения важна для улучшения плотности короткого замыкания тройных устройств.
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
Eсть тесная и прямая связь между морфологией активного слоя и общей производительностью устройства. Он играет важную роль в определении эффективности OSC. Чтобы полностью понять влияние добавления DSMD-βV на морфологические свойства, исследователи провели комплексное исследование 3 различных смесей пленок. Основной целью этого было получить глубокое понимание эффектов, возникающих из-за 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.
