Dimeriserad liten molekyl uppnår 18.12 % effektivitet i ternära organiska solceller

För att uppnå högpresterande organiska solceller (OSC) är de ternära OSC:erna ett genomförbart och effektivt alternativ. Det är viktigt att utveckla en bättre 3:e komponent för effektiv ternär OSC. Forskare utvecklade en ny molekyl för denna studie och upptäckte att dimeriserade små molekyler kan öka effektiviteten hos ternära OSC:er

Den nya molekylen visar komplementär absorption tillsammans med energinivåer som kan matcha PM5 och BTP-eC9. Dessutom kan den också styra PM6:BTP-eC9-arrangemanget. Bättre excitondissociation, mindre rekombination och bättre laddningstransport sker genom att använda PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 i den ternära enheten. Detta ledde ytterligare till en högre effektkonverteringseffektivitet, cirka 18.26 %. Denna nivå överträffar den tidigare effektiviteten för binär PM6:BTP-eC9 som var 17.63 %.

Studiens syfte : Att demonstrera potentialen hos dimeriserade småmolekyldonatorer för ternära organiska solceller (OSC).

Dimeriserad liten molekyl kan öka effektiviteten hos ternära OSC:er: hur?

Forskare föredrar organiska solceller som en lovande ny teknik inom PV-teknik. De har tydliga fördelar som genomskinlighet, flexibilitet och lättviktsdesign. Med de senaste framstegen inom icke-fullerenacceptormaterial och teknik för enhetsberedning har det skett betydande förbättringar av PV-prestanda hos OSC:er.

Dessutom har antagandet av en flerkomponentstrategi i det ternära tillvägagångssättet avsevärt ökat energiomvandlingseffektiviteten (OCE) för enheter. Det är uppenbart att tillägget av en tredje gästkomponent till det binära värdsystemet medan man konstruerar ternära OSC:er har flera fördelar.

Tillsatsen av en lämplig tredje komponent kan bibehålla den enkla bearbetningen av enkelkopplingsanordningen. Detta bidrar ytterligare till att uppnå bättre kortslutningsströmtäthet (Jsc). Efteråt är det möjligt att kontrollera mikromorfologin och kristalliniteten hos det aktiva lagret. Detta underlättar ytterligare dissociationen av excitoner. Det förbättrar enastående värden för JSC, fyllningsfaktor (FF) och laddningstransport.

Energinivåarrangemang och icke-strålningsrekombination påverkas också och optimerar öppen kretsspänning (VOC). Det blir en extra transportkanal som kan förbättra avgiftsöverföringen.

Faktorer som ska beaktas för en idealisk tredje komponent.

• Kompletterande absorptionsområde
• Lämpliga arrangemang av energinivåer
• Optimering av aktiv lagermorfologi

Det är viktigt att designa och utveckla en matchande 3:e komponent för att effektivt realisera ovan nämnda faktorer. Dessutom för att optimera PV-parametrarna för OSC:erna.

Tidigare studiers observation Om Dimerized Small Molecule som 3rd Molecule

Formulering av aktivt lager i ternära icke-fulleren OSC:er innebär tillsats av två olika donatormaterial. Båda har en enda acceptor och en enda donator med två olika acceptormaterial.

Den 3:e komponenten, som oligomera material eller polymerer, kan spela en viktig roll. Forskning med oligomeriskt donatormaterial som tredje komponent är begränsad även om det effektivt kan förbättra enheternas effektivitet. Som undersökt kan oligomera donatormaterial bearbetade med grönt lösningsmedel uppnå högre PCE i ternära OSC.

I denna forskning designades och syntetiserades en dimeriserad liten molekyldonator genom att koppla två asymmetriska små molekyldonatorer med vinylgruppen. Den dimeriserade givaren av små molekyler kallas DSMD-βV och har följande egenskaper.

• Den har ett brett absorptionsområde från 300-900 nm.
• Har den högsta energinivån för occupied molecular orbital (HOMO), -5.55 eV.
• Stark aggregeringsförmåga från lösning till filmtillstånd

Vidare antog forskare PM6:BTP-eC9-systemet som den binära matrisen. Som med komplementär absorption av dimeriserade molekyler etablerar en gynnsam grund som den 3:e komponenten för att utveckla effektiva ternära organiska solceller.

Solcell vs solpanel – Utforska nyckelskillnader

Kvaliteter som uppnåtts efter tillsats av DSMD-βV

• Förbättrar fasseparationen av PM6:BTP-eC9-baserad filmmikromorfologi
• Förbättra laddningstransport och excitondissociation
• Prestanda ökade till 18.26%.

Resultat och diskussion: Använda Dimerized Small Molecule för att öka effektiviteten av ternära OSC: er

Syntes och karaktärisering av den nya enheten

Forskare syntetiserade en asymmetrisk liten donator med en bromsubstituerad ändgrupp för att skapa föreningen (9). Sedan använde de denna förening för att syntetisera målprodukten DSMD-βV genom att koppla den med vinyl med hjälp av en Stille-kopplingsreaktion.

Forskarna använde Pd2 (dba) 3 som katalysator och P (o-tol) 3 som ligand. Målprodukten DSMD-βV är löslig i kloroform (CF) och klorbensen (CB) lösningsmedel. Dessutom är den termodynamiskt stabil i upp till 374°C och genomgår mycket liten viktminskning på cirka 5%. Dessa egenskaper hos målmaterialen är viktiga för att uppfylla bearbetningskraven under enhetstillverkning. Följande figur visar det detaljerade syntesförfarandet för den dimeriserade småmolekylära donatorn DSMD-βV.

Ligninpolymerer för att kontrollera CO2-avskiljning, frigöring och omvandling, upptäckte FSMU-FSU-forskare

Optiska och elektrokemiska egenskaper

Genom att använda UV-vis-absorptionsspektra utfördes den optiska egenskapen hos DSMD-βV, som visas i figuren nedan. Motsvarande data nämns i tabellen nedan.

molekyl	ε (M-1 cm-1)	λtopp, sol (nm)	λtopp, film (nm)	λfilm, debut (nm)	Eg, opt (eV)	EHOMO (eV)	ELumo (eV)
DSMD-βV	1.20 × 105	447, 659	536, 744	858	1.45	-5.55	-3.55

Observationer

• I lösningstillstånd, DSMD-βV visar en bred absorptionsområde från 350-800 nm med 2 karakteristiska absorptionsband.
• Den långa våglängdsregionen av absorptionsområdet indikerade intramolekylära laddningsöverföringsprocesser.
• Det distinkta absorptionsbandet kan tillskrivas de lokaliserade π-π* elektroniska övergångarna.
• Den maximala molära absorptionskoefficienten för DSMD-βV är fast besluten att vara 1.20×105 M−1 cm−1 enligt Lembergers lag.
• I filmtillstånd, absorptionsspektrumet DSMD-βV visade en 80 nm rödförskjutning än i lösningstillståndet.
• Det fanns också en ökning i intensiteten av de långa våglängdsabsorptionstopparna.
• Enligt DSMD-βV-filmabsorptionskanten är det beräknade optiska gapet (t.ex. opt) 1.45 eV.
• Ett visst aggregeringsbeteende visades i DSMD-βV, och forskare tror att det kan reglera det aktiva skiktets morfologi.
• Under våglängder från 350-570 nm och 640-780 nm observerades utmärkt absorptionskomplementaritet med PM6 och BTP-eC9.

Snabb anmärkning – Utmärkt absorptionskomplementaritet är viktig för att förbättra kortslutningstätheten hos ternära enheter.

ETL-baserade bifaciala perovskite solceller för flexibla enheter: en simuleringsstudie

Olika metoder som används i experimentet

• Forskare karakteriserade också den temperaturberoende absorptionen för att utvärdera aggregationsegenskaperna hos DSMD-βV i lösning.
• Med metoden med cyklisk voltammetri (CV) bestämdes energinivån för DSMD-βV.
• HOMO-nivån var runt -5.55 eV och beräknades med CV-kurvor på basis av startpotentialen för den initiala oxidationsprocessen.
• Den initiala reduktionspotentialen användes för att härleda den lägsta nivån för obesatt molekylär orbital (LUMO), som uppskattades till -3.55 eV.
• Vidare var HOMO- och LUMO-energinivåerna placerade mellan PM6 och BTP-eC9, vilket möjliggjorde ett kaskadenerginivåarrangemang i det ternära blandningssystemet.

Morfologisk analys

Det finns ett nära och direkt samband mellan det aktiva lagrets morfologi och enhetens övergripande prestanda. Det spelar en viktig roll för att bestämma OSC:ernas effektivitet. För att fullt ut förstå effekten av att tillsätta DSMD-βV på morfologiska egenskaper genomförde forskare en omfattande undersökning av de tre olika filmblandningarna. Huvudsyftet med detta var att få en djupgående förståelse av de effekter som uppstår på grund av tillsatsen av DSMD-βV.

Observationer

• Enligt resultaten som hittats av atomkraftmikroskop (AFM), kunde mikromorfologiegenskapen hos det aktiva lagret effektivt regleras genom tillägg av DSMD-βV i det binära systemet.
• Ocuco-landskapet rot-medel-kvadrat-råhet (RMS) av de tre filmerna var: DSMD-βV:BTP-eC9 (1.43), PMT:BTP-eC9 (1.48) och PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 (1.28). Snabbanmälan: De små RMS-värdena indikerar kompatibel blandning av DSMD-βV med värdsystemet.
• A enhetlig ytmorfologi observerades i den PM6:DSMD-βV:BTP-eC9-baserade ternära blandningsfilmen än den PM6:BTP-eC9-baserade filmen.
• Enligt transmissionselektronmikroskopet (TEM), uppenbar fasseparation morfologi observerades i DSMD-βV:BTP-eC9-baserad film.
• Efter att ha introducerat gästmolekylen DSMD-βV i värdsystemet PM6:BTP-eC9, fanns det en förbättring av fasseparationen av PM6:DSMD-βV:BTP-eC9-baserad film.
• Det finns möjlighet till förbättrad excitondissociation och laddningstransport för bättre JSC och FF med förbättrad stapling och fasseparation.

Således, på grundval av denna information, visade forskare att gästmolekylen har potential att fungera som den tredje komponenten. Det också, specifikt för att reglera mikromorfologiska egenskaper hos det aktiva lagret.

NREL utvecklar vindkraftsblad från återvinningsbart harts

Solcellers prestanda efter tillsats 3^rd molekyl

Forskare använde olika aktiva lager för att tillverka och studera de organiska solcellsenheterna, nämligen PM6:DSMD-βV:BTP-eC9, PM6:BTP-eC9 och DSMD-βV:BTP-eC9. Enhetsstrukturen bestod av ITO/PEDOT:PSS/aktivt lager/PDINN/Ag. Följande figur representerar den karakteriserade PV-prestanda och JV-kurvor.

Enheter	VOC (V)	JSC (mA cm-2)	FFsss (%)	PCEa (%)	Jlime (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

Observationer

• Med tillägget av gästmolekyler till PM6:BTP-eC9-systemet fanns förbättringar i FF, VOC och JSC.
• VOC visar förbättringar på grund av lägre HOMO-energinivåer.
• Dessutom förbättrades JSC och FF på grund av optimeringen av strukturen för det aktiva lagret och energinivåerna.
• PM6:DSMD-βV:BTP-eC9-enhetens effektkonverteringseffektivitet (PCE) nådde 18.26 %.
• DSMD-βV:BTP-eC9 och PM6:DSMD-βV:BTP-eC9-baserade enheter uppnådde externa kvanteffektivitetskurvor (EQE) över en våglängd på 300-1000 nm, som visas i figuren nedan.
• PM6:DSMD-βV:BTP-eC9 ternära enheter EQE-kurvor visade högre kurvkonturer än PM6:BTP-eC9-baserade enheter. Detta indikerar förbättrad fotonfångstförmåga hos enheten, vilket leder till förbättrad JSC.

Dessutom, för att förstå FF- och JSC-förbättring i ternär OSC, analyserade forskare enhetens fysik. Sedan genom att korrelera VOC och varierande situation, undersökte forskare fällassisterad rekombination.

• Sammantaget minskade introduktionen av DSMD-βV effektivt fällassisterad rekombination för att uppnå överlägsen JSC.
• Sedan påverkade laddningstransportkapaciteten enhetens prestanda.
• Högre FF, PCE och JSC erhölls på grund av den balanserade och tillfredsställande rörligheten hos de ternära enheterna.
• Det kan bli mer undertryckande av laddningsrekombination under laddningstransport med införandet av DSMD-βV. Detta skulle kunna förbättra JSC ytterligare.
• En lång bärarlivslängd observeras i DSMD-βV:BTP-eC9-enheten men långsam bärarextraktionsförmåga. Detta orsakar rekombination och resulterar i dålig PV-prestanda.

Hållbar Nanogenerator från Upcycled Sulphur från Petroleum Waste

Transient Photocurrent (TPC) och Transient Photovoltage (TPV) Tester

Forskare studerade bärarextraktionstiden och bärarens livslängd genom TPC- och TPV-tester.

Observationer

Typer av filmer	DSMD-βV:BTP-eC9	PM6:BTP-eC9	PM6:DSMD-βV:BTP-eC9
TPC-kurvor – Extraktionstid (ts)	0.77 μs	0.62 μs	0.66 μs
TPV-kurvor – Extraktionstid (ts)	0.50 μs	0.24 μs	0.23 μs

Slutsats

Så, forskare drog slutsatsen att det nyutvecklade donatormaterialet DSMD-βV som utvecklats från kombinationen av två små molekylgivare har olika egenskaper. Den har ett brett absorptionsområde, stark aggregationsförmåga och låga HOMO-energinivåer. I jämförelse med BTP-eC2 och PM9 enheter har den nyutvecklade en kompletterande absorptions- och energinivåarrangemang. Dessutom leder det till en förbättring av prestandan upp till 6% vilket är högre än binära enheter. Således kan man dra slutsatsen att den dimera småmolekylära donatorn har potential att göra ternära OSC: er effektiva.

Källa : Dimeriserad småmolekyldonator möjliggör effektiva ternära organiska solceller