Forbedring af organiske solcellers effektivitet gennem molekylær konstruktion

Polymer solceller er lette, fleksible solpaneler, der kan bruges til bærbare enheder. Imidlertid har giftige halogenerede behandlingsopløsningsmidler, der anvendes under fremstillingen af ​​disse solceller, begrænset deres udbredte anvendelse.

Alternativer til halogenerede behandlingsopløsningsmidler er ikke nær så opløselige, hvilket kræver højere temperaturer og længere behandlingstider. At finde en måde at fjerne behovet for de halogenerede behandlingsopløsningsmidler kunne forbedre organiske solcellers effektivitet og gøre polymersolceller til en levedygtig mulighed for bærbare enheder.

I et papir, offentliggjort i Nano Research Energy den 24. juli skitserer forskere, hvordan forbedring af molekylære interaktioner mellem polymerdonorerne og de små molekyleacceptorer ved hjælp af sidekædeteknik kan reducere behovet for halogenerede behandlingsopløsningsmidler.

"Blandingsmorfologi af polymerdonorer og små molekyleacceptorer er stærkt påvirket af deres molekylære interaktioner, som kan bestemmes af grænsefladeenergier mellem donor- og acceptormaterialerne. Når deres overfladespændingsværdier er ens, vil grænsefladeenergierne og molekylære interaktioner mellem donorerne og acceptanterne forventes at være mere gunstige," sagde Yun-Hi Kim, professor ved Gyeongsang National University i Jinju, Republikken Korea.

"For at øge polymerdonorernes hydrofilicitet og reducere molekylær afblanding kan sidekædekonstruktion være en plausibel vej."

Sidekædeteknik er, når en kemisk gruppe, kaldet en sidekæde, tilføjes til hovedkæden af ​​et molekyle. De kemiske grupper i sidekæden påvirker det større molekyles egenskaber.

Forskere teoretiserede, at tilføjelse af oligoethylenglycol (OEG)-baserede sidekæder ville forbedre polymerdonorernes hydrofilicitet takket være oxygenatomerne i sidekæderne. Et molekyle med hydrofilicitet tiltrækkes af vand. Forskelle i polymerdonorernes og de små molekyleacceptorers hydrofilicitet kan påvirke, hvordan de interagerer.

Med øget hydrofilicitet af polymerdonorerne og forbedrede interaktioner mellem dem og de små molekyle-acceptorer, kan ikke-halogenerede behandlingsopløsningsmidler anvendes uden at ofre solcellens ydeevne. Faktisk havde polymersolceller fremstillet med OEG-baserede sidekæder knyttet til en benzodithiophen-baseret polymerdonor en højere effektkonverteringseffektivitet på 17,7 % sammenlignet med 15,6 %.

For at sammenligne resultater designede forskere benzodithiophen-baserede polymerdonorer med enten en OEG-sidekæde, kulbrintesidekæder eller sidekæder, der var 50 % kulbrinte og 50 % OEG.

"Dette belyste effekten af ​​sidekædeteknik på blandingsmorfologi og ydeevne af ikke-halogenerede opløsningsmiddelbehandlede polymersolceller," sagde Kim. "Vores resultater viser, at polymerer med hydrofile OEG-sidekæder kan forbedre blandbarheden med små molekyle-acceptorer og forbedre effektkonverteringseffektiviteten og enhedsstabiliteten af ​​polymersolceller under ikke-halogeneret behandling."

Ud over forbedret effektkonverteringseffektivitet havde polymersolcellerne med de OEG-baserede sidekæder forbedret termisk stabilitet. Termisk stabilitet er afgørende for skalering af polymersolceller, så forskerne opvarmede dem til 120° Celsius og sammenlignede derefter effektkonverteringseffektiviteten. Efter 120 timers opvarmning havde polymererne med kulbrintesidekæderne kun 60 % af sin oprindelige effektkonverteringseffektivitet og havde uregelmæssigheder på overfladen, mens blandingen af ​​kulbrinte og OEG bibeholdt 84 % af sin oprindelige effektkonverteringseffektivitet.

"Vores resultater kan give en nyttig retningslinje til at designe polymerdonorer, der producerer effektive og stabile polymersolceller ved hjælp af ikke-halogeneret opløsningsmiddelbehandling," sagde Kim.

Andre bidragydere omfatter Soodeok Seo, Jin Su Park og Bumjoon J. Kim fra Korea Advanced Institute of Science and Technology; Jun-Young Park og Do-Yeong Choi fra Gyeongsang National University; og Seungjin Lee fra Korea Research Institute of Chemical Technology.

Flere oplysninger: Soodeok Seo et al., Polymerdonorer med hydrofile sidekæder, der muliggør effektive og termisk stabile polymersolceller ved ikke-halogeneret opløsningsmiddelbehandling, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2022.9120088

Leveret af Tsinghua University Press