Forskere giver en ny retningslinje for syntesen af ​​fullerenelektronacceptorer

Organiske/polymere solceller repræsenterer den vigtigste retning for grøn energi i fremtiden. Fulleren elektronacceptorer er blevet brugt i vid udstrækning i organiske/polymer solceller såvel som perovskit solceller. En nylig undersøgelse afslører, at den fotovoltaiske ydeevne kan påvirkes af fulleren stereomer, hvilket antyder, at den stereomere effekt bør overvejes for nye fullerenderivater designet som elektronacceptorer.

Avisen blev rapporteret i Videnskabsbulletin 2016(2) udgave, med titlen "Stereomere effekter af bisPC ₇₁ BM om polymersolcelleydelse" og "Teoretisk indsigt i den stereometriske effekt af bisPC ₇₁ BM om polymercelleydelse, " af Su-Yuan Xie og Yi Zhao et al fra Xiamen University. Forfatterne syntetiserede og adskilte to stereomerer af bisadduktanaloger af [6, 6]-phenyl-C ₇₁ -smørsyremethylester (bisPC ₇₁ BM). Selvom begge isomerer har de samme spektrometriske og elektroniske egenskaber, fandt forskerne en fotovoltaisk uoverensstemmelse. Understøttet af både krystallografiske og teoretiske analyser, den stereomer-afhængige fotovoltaiske ydeevne viste sig at være et resultat af en uoverensstemmelse i molekylær pakning.

Indtil nu, fullerenderivater [6, 6]-phenyl-C ₆₁ -smørsyremethylester (PC ₆₁ BM) og dens C70 analoge pc ₇₁ BM dominerer stadig fulleren-acceptorerne, som blev udviklet for 20 år siden. På grund af deres fremragende egenskaber, herunder høj elektronmobilitet, kraftig lysabsorbering, god opløselighed, høj elektronaffinitet og god kompatibilitet med donormaterialer, PC ₆₁ BM og PC ₇₁ BM er de bedste elektronacceptorer, der er syntetiseret indtil videre. I de sidste 20 år, Der er gjort en indsats for at udvikle nye elektronacceptorer, der er bedre end PC ₆₁ BM/PC ₇₁ BM. Imidlertid, det er svært at gennemføre. Det kræver en passende fullerenkerne, hvortil de korrekte funktionsgrupper er knyttet, og afhænger af antallet af tilføjelser og deres tilføjelsesposition, osv. Selvom forskere aldrig holder op med at syntetisere nye fullerenacceptorer i henhold til disse retningslinjer, og hundredvis af fullerenacceptorer er blevet syntetiseret i de sidste 20 år, den fotovoltaiske ydeevne af disse fullerenacceptorer er stadig ikke god nok.

I princippet, hvis forskere kan overveje disse faktorer, det kunne være muligt at få fullerenacceptorer med en specifik solcelleydelse. Så hvorfor har forskere undladt at skabe bedre fullerin-elektronacceptorer? Er der andre faktorer, der skal tages i betragtning?

Det skal bemærkes, at de syntetiserede fullerenderivater har stereomerer, selv når man overvejer sådanne retningslinjer som fullerenkernen, typen af ​​funktionelle grupper knyttet til fullerenkernen, og antallet af tilføjelser og deres tilføjelsesposition. Har disse fulleren stereomerer forskellige fotovoltaiske ydeevne? For at besvare dette spørgsmål, forskerne designet to stereomerer af bisaddukt-analoger af PC ₇₁ BM (bisPC ₇₁ BM) med cis- eller trans-konfiguration, som blev brugt som elektronacceptorer i polymersolceller. De viste, at de to stereomerer har meget lignende LUMO-energiniveauer og lysabsorption samt andre egenskaber.

Imidlertid, polymer solceller baseret på de to stereomerer udviste forskellig fotovoltaisk ydeevne (sammenlignet med cis-bisPC ₇₁ BM, trans-bisPC ₇₁ BM har en effektivitet på omkring 7 procent til at forbedre effektkonverteringseffektiviteten af ​​polymersolceller). Yderligere undersøgelse viser, at forskellen i krystalpakningsmønster for bisPC ₇₁ BM-isomerer er hovedårsagen til deres divergerende fotovoltaiske ydeevne. En teoretisk undersøgelse afslører også, at den molekylære pakning af isomerer påvirker elektronmobiliteten og exciton-dissociationseffektiviteten. Dermed, både eksperimentelle og teoretiske undersøgelser viser, at de stereometriske virkninger af fullerenacceptorer har en vigtig indflydelse på solcellernes ydeevne. Derfor, en ny retningslinje for design af effektive elektronacceptorer blev foreslået.

Den største vanskelighed ved dette eksperiment er syntesen og adskillelsen af ​​bisPC ₇₁ BM stereomerer. De to stereomere blev adskilt af en flertrins, højtydende væskekromatografi (HPLC) teknik fra 28 isomerer. De molekylære strukturer blev utvetydigt bestemt ved røntgen-enkeltkrystalanalyse for at bestemme deres krystalstruktur og molekylære pakning. Bulk-heterojunction solceller ved hjælp af poly (3-hexylthiophene) (P ₃ HT) som donor og bisPC ₇₁ BM stereomer som acceptor blev fremstillet, og den fotovoltaiske ydeevne blev evalueret for at undersøge de stereomere virkninger af bisPC ₇₁ BM om polymer solcelleydelse. Teoretisk undersøgelse blev udført via kombinationsmetoder af elektroniske strukturberegninger og Marcus teori, med vægt på at anvende uafhængige strukturelle parametre til at forudsige målbare variabler i eksperimentet.

Ved at sammenligne teoretiske beregningsresultater med eksperimentelle data, teoretisk undersøgelse afslører mekanismen bag de forskellige fotofysiske processer forårsaget af stereomerer og foreslår mulige måder til yderligere at forbedre den fotovoltaiske ydeevne. Derfor, forskeren foreslår en ny retningslinje om de stereomere virkninger af fullerenderivater til at designe effektive elektronacceptorer, som mere fyldestgørende redegør for de faktorer, der påvirker fotovoltaisk ydeevne. Det giver også nye ideer til udvikling af fremragende elektronacceptorer med høj elektronmobilitet, kraftig lysabsorbering, god opløselighed, høj elektronaffinitet og god kompatibilitet med donormaterialer.