Fullerener bygger bro over ledende kløft i organisk fotovoltaik

Organisk solceller har opnået bemærkelsesværdigt høje effektiviteter, men at finde optimale kombinationer af materialer til højtydende organiske solceller, som også er økonomisk konkurrencedygtige, udgør stadig en udfordring. Forskere fra USA og Kina har nu udviklet et innovativt mellemlagsmateriale for at forbedre enhedens stabilitet og elektrodeydelse. I journalen Angewandte Chemie , forfatterne beskriver deres fulderen-piggede, let bearbejdelig ionenpolymer, hvilket øger effektomdannelseseffektiviteten af ​​organiske solceller.

I modsætning til almindelige siliciumbaserede solceller, organisk fotovoltaik (OPV'er) involverer organiske molekyler i solenergiproduktion. Materialer i OPV'er er rigelige og bearbejdelige, billig og let, og modulerne kan gøres fleksible og med indstillelige egenskaber. Den største ulempe ved sådanne materialer er, at opnå lang levetid og høj ydeevne kræver detaljerede indstillinger og arkitekturer. Optimerede kombinationer af materialer, der matcher elektroderne, forbliver undvigende.

Sølv- eller guldmetaller danner luftstabil, behandlingsbare katoder, men de sænker også enhedens potentiale. For at overvinde dette problem, Yao Lui ved Beijing University of Chemical Technology (Kina), og Thomas Russell og Todd Emrick ved University of Massachusetts, Amherst (USA), og deres forskningsgrupper, har udviklet et nyt polymert materiale til at tjene som et mellemlag mellem elektroden og det aktive lag. Dette mellemlag skal være ledende og skal sænke katodens arbejdsfunktion ved at tilvejebringe en interfacial dipol.

Som et mellemlagsmateriale, forskerne undersøgte en ny klasse af ladede polymerer, ionenpolymererne. "Ionenpolymerer er polykationer, hvor de ladede dele er placeret inden i polymerskelettet i stedet for som vedhængende grupper, "forklarer forfatterne. Dette fører til en højere ladningsfordeling end i konventionelle kationiske polymerer, og derudover bedre afstemning. Ionenpolymerer tilvejebringer en nyttig interfacial dipol, men alene, de mangler den nødvendige ledningsevne.

Derfor, forfatterne inkluderede fullerener i polymerlagets strukturelle ramme. Såkaldte "bucky bolde"-fullerenkugler, der udelukkende er fremstillet af kulstof-bruges allerede som almindelige acceptormolekyler i OPV-enheder. De er meget ledende og har mange andre gunstige egenskaber.

Forskerne forberedte fulleren-ionen-mellemlagsmaterialet ved at innovere konventionel trin-vækstpolymeriseringskemi med ny, funktionelle monomerer. De samlede OPV -enhederne og inkluderede et mellemlag. Resultatet var et imponerende løft i effektkonverteringseffektiviteten-i gennemsnit tre gange-sammenlignet med enheder uden mellemlaget. Effektivitet på over 10% peger på yderligere anvendelighed af disse modulære enheder.

Dette arbejde viser, at en relativt enkel ændring af materialesammensætning kan forbedre effektiviteten i organisk elektronik og kan overvinde iboende problemer i forbindelse med kombinationen af ​​hårde (elektroder) og bløde (aktive lag) materialer.