Ny polymer kan øge ydeevnen af ​​organiske og perovskit-solceller

Skoltech-forskere og deres kolleger har syntetiseret en ny konjugeret polymer til organisk elektronik ved hjælp af to forskellige kemiske reaktioner og vist virkningen af ​​de to metoder på dens ydeevne i organiske og perovskit-solceller. Artiklen blev offentliggjort i tidsskriftet Makromolekylær kemi og fysik .

Mens verden forsøger at omstille sig til ren og vedvarende energi, såsom solenergi, forskere arbejder på at gøre solceller mere effektive til at producere elektricitet. Blandt de lovende tilgange er to hurtigt udviklende fotovoltaiske teknologier med potentiale for billig bæredygtig solenergiproduktion:organiske solceller og bly-halogenid perovskit solceller. Deres største fordel i forhold til kommercielle solceller baseret på krystallinsk silicium er de lave omkostninger ved at afsætte det fotoaktive lag fra opløsning. Det gør energiproduktion billigere, forenkler opskalering med trykteknikker og roll-to-roll fremstilling, og muliggør fremstilling af enheden på fleksible og strækbare overflader.

Imidlertid, der er flere hindringer for den udbredte anvendelse af disse teknologier. For én ting, effektiviteten af ​​organiske solceller har stadig lang vej at gå. Dette vil kræve justering af fotoaktivt lagsammensætning. I organiske solceller, lys-til-energi-omdannelsen sker i det fotoaktive lag, der består af en blanding af donor- og acceptormaterialer - donoren er normalt en konjugeret polymer.

Hvad angår perovskit-solceller, de har nået en spektakulær 25,5 % certificeret rekordeffektivitet, men langsigtet stabilitet er fortsat et problem. Nyere forskning har vist, at enhedens stabilitet kan forbedres ved at dække det fotoaktive perovskitmateriale med et ladningsekstraktionslag, der giver effektiv indkapsling. Blandt andet materiale denne beskyttende funktion kan opfyldes af konjugerede polymerer, hvilket gør det vigtigt at maksimere deres kvalitet ved at forbedre deres syntese.

"Konjugerede polymerer har en række vigtige anvendelser, får os til at undersøge måder at optimere deres syntese for at forbedre deres kvalitet, hvilket ville føre til en bedre ydeevne af fotovoltaiske enheder. Vores undersøgelse fokuserer på en bestemt type konjugerede polymerer, som indeholder isoindigo-enheden i polymerkæden. Resultaterne viser, at mellem de to syntetiske veje anvendt til syntese af isoindigo-baserede materialer, Stille-reaktionen bør foretrækkes frem for Suzuki-reaktionen som det sidste trin i syntesen, " Skoltech Ph.D.-studerende Marina Tepliakova forklarede.

Sammen med Skoltech Provost Keith Stevenson og deres kolleger fra RAS Institute for Problems of Chemical Physics, Marina Tepliakova syntetiserede en konjugeret polymer baseret på isoindigo, en isomer af det velkendte indigofarvestof. Holdet brugte to synteseveje, der almindeligvis bruges til at producere isoindigo-baserede polymerer:Stille- og Suzuki-polykondensationsreaktionerne.

Konjugerede polymerer er organiske materialer, der normalt indeholder skiftende donor- og acceptorenheder i deres struktur, derfor omtales de også som D-A-D-A-D materialer. D og A enhederne, kaldet monomerer, er forbundet til polymere kæder ved hjælp af forskellige polymerisationsreaktioner, som hver især er afhængig af, at monomererne bærer visse yderligere funktionelle grupper til at begynde med. For polymerer, der inkorporerer isoindigo-enheden som acceptorkomponent, to syntetiske ruter er tilgængelige, og undersøgelsen fra Skoltech-IPCP RAS-teamet undersøgte dem begge.

Udover den ovennævnte funktionelle gruppeskelning, de to synteseveje er forskellige med hensyn til de krævede reaktionsbetingelser. For eksempel, Suzuki polykondensationsprocessen kræver, at en uorganisk base er til stede sammen med de to monomerer i blandingen af ​​ublandbare væsker:vand og organisk opløsningsmiddel. Monomeroverførsel mellem faser muliggøres af specielle molekyler kendt som overførselskatalysatorer. Stille-reaktionen sker normalt i én fase og ved forhøjede temperaturer. Derudover begge reaktioner kræver palladium-baserede katalysatorer.

"Vores første observation var, at standardbetingelserne for Suzuki-reaktionen var uforenelige med isoindigo-baseret monomersyntese, " kommenterede Marina Tepliakova. "Ved brug af højtydende væskekromatografi, vi observerede monomersignalnedbrydning i tre forskellige signaler af nogle biprodukter med forskellige retentionstider under standard Suzuki-betingelser. Dette betød, at irreversibel ødelæggelse af den isoindigo-baserede monomer fandt sted. Så vi justerede reaktionsbetingelserne, indtil de ikke var skadelige for materialet."

Efter at have justeret Suzuki-reaktionen, holdet fortsatte med at syntetisere polymeren ved hjælp af begge veje. De resulterende materialer viste sig at have lignende molekylvægte og optoelektroniske egenskaber. Næste, forskerne testede prøverne i fotovoltaiske enheder:organiske solceller og perovskit-solceller. Polymeren opnået ved hjælp af Stille-reaktionen viste overlegen ydeevne med effektiviteter på 15,1% og 4,1% i perovskit og organiske solceller, henholdsvis; med det Suzuki-afledte materiale, der leverer 12,6 % og 2,7 % effektivitet.

Holdet tilskrev forskellen i ydeevne til tilstedeværelsen af ​​såkaldte ladningsfælder i materialet opnået ved hjælp af Suzuki-reaktionen. Denne antagelse blev bekræftet ved hjælp af en teknik kaldet elektron-spin-resonans, som viste, at materialet opnået via Stille-vejen havde fem gange færre defekter.

Ved at justere tilgangen til isoindigo-baseret monomersyntese, forskerne har fundet en måde at fremstille materiale af høj kvalitet, der fungerer godt i solceller. I et opfølgende eksperiment, holdet syntetiserer nu flere materialer, der skal testes i perovskit-solceller. Den kommende undersøgelse vil afklare, hvordan materialestruktur relaterer sig til enhedens ydeevne.