Upphovsman:Science China Press
Organiska/polymera solceller representerar den viktigaste riktningen för grön energi i framtiden. Fullerene elektronacceptorer har använts i stor utsträckning i organiska/polymera solceller samt perovskitsolceller. En färsk studie avslöjar att den fotovoltaiska prestandan kan påverkas av fulleren stereomer, vilket innebär att den stereomera effekten bör övervägas för nya fullerenderivat utformade som elektronacceptorer.
Tidningen rapporterades i Science Bulletin 2016 (2) utgåva, med titeln "Stereomera effekter av bisPC 71 BM om polymer solcellsprestanda "och" Teoretisk inblick i den stereometriska effekten av bisPC 71 BM på polymercellens prestanda, "av Su-Yuan Xie och Yi Zhao et al från Xiamen University. Författarna syntetiserade och separerade två stereomerer av bisadduktanaloger av [6, 6] -fenyl-C 71 -smörsyra metylester (bisPC 71 BM). Även om båda isomererna har samma spektrometriska och elektroniska egenskaper, forskarna fann en fotovoltaisk avvikelse. Med stöd av både kristallografiska och teoretiska analyser, den stereomerberoende fotovoltaiska prestandan avslöjades bero på en skillnad i molekylär packning.
Tills nu, fullerenderivat [6, 6] -fenyl-C 61 -smörsyra metylester (PC 61 BM) och dess analoga C70 -dator 71 BM dominerar fortfarande de fullare accepterarna, som utvecklades för 20 år sedan. På grund av deras utmärkta egenskaper, inklusive hög elektronmobilitet, stark ljusabsorption, god löslighet, hög elektronaffinitet och god kompatibilitet med givarmaterial, PC 61 BM och PC 71 BM är de bästa elektronacceptorerna som har syntetiserats hittills. Under de senaste 20 åren har ansträngningar har gjorts för att utveckla nya elektronacceptorer som är överlägsna PC 61 BM/PC 71 BM. Dock, det är svårt att åstadkomma. Det kräver en lämplig fullerenkärna, till vilka de rätta funktionella grupperna är knutna, och beror på antalet tillägg och deras tilläggsposition, etc. Även om forskare aldrig slutar att syntetisera nya fullerenacceptorer enligt dessa riktlinjer, och hundratals fullerenacceptorer har syntetiserats under de senaste 20 åren, fotovoltaiska prestanda för dessa fullerenacceptorer är fortfarande inte tillräckligt bra.
I princip, om forskare kan överväga dessa faktorer, det kan vara möjligt att få fullerenacceptorer med en specifik solcellsprestanda. Så varför har forskare misslyckats med att skapa bättre fullerine -elektronacceptorer? Finns det andra faktorer som bör beaktas?
Det bör noteras att de syntetiserade fullerenderivaten har stereomerer även när man överväger sådana riktlinjer som fullerenkärnan, typen av funktionella grupper kopplade till fullerenkärna, och antalet tillägg och deras tilläggsposition. Har dessa fulleren -stereomerer olika solcellsprestanda? För att ta upp denna fråga, forskarna utformade två stereomerer av bisaddukt analoger av PC 71 BM (bisPC 71 BM) med cis- eller trans -konfiguration, vilka användes som elektronacceptorer i polymersolceller. De demonstrerade att de två stereomererna har mycket lika LUMO -energinivåer och ljusabsorption samt andra egenskaper.
Dock, polymera solceller baserade på de två stereomererna uppvisade olika fotovoltaiska prestanda (jämfört med cis-bisPC 71 BM, trans-bisPC 71 BM har en verkningsgrad på cirka 7 procent för att förbättra effektomvandlingseffektiviteten för polymera solceller). Ytterligare undersökning visar att skillnaden i kristallförpackningsmönster för bisPC 71 BM -isomerer är huvudorsaken till deras divergerande fotovoltaiska prestanda. En teoretisk undersökning avslöjar också att molekylär packning av isomerer påverkar elektronmobilitet och exciton -dissociationseffektivitet. Således, både experimentella och teoretiska undersökningar visar att de stereometriska effekterna av fullerenacceptorer har en viktig inverkan på solcellens prestanda. Därför, en ny riktlinje för att utforma effektiva elektronacceptorer föreslogs.
Den största svårigheten med detta experiment är syntesen och separationen av bisPC 71 BM stereomerer. De två stereomererna separerades med ett flersteg, högpresterande vätskekromatografi (HPLC) teknik från 28 isomerer. De molekylära strukturerna bestämdes entydigt genom röntgen-enkristallanalys för att bestämma deras kristallstruktur och molekylförpackning. Bulk-heterojunction solceller med användning av poly (3-hexyltiofen) (P 3 HT) som donator och bisPC 71 BM -stereomer som acceptor tillverkades och fotovoltaiska prestanda utvärderades för att undersöka de stereomera effekterna av bisPC 71 BM på polymer solcellsprestanda. Teoretisk undersökning utfördes via kombinationsmetoder för elektroniska strukturberäkningar och Marcus teori, med tonvikt på att använda oberoende strukturella parametrar för att förutsäga mätbara variabler i experimentet.
Genom att jämföra teoretiska beräkningsresultat med experimentella data, teoretisk undersökning avslöjar mekanismen bakom de olika fotofysiska processerna som orsakas av stereomerer och föreslår möjliga sätt att ytterligare förbättra den fotovoltaiska prestandan. Därför, forskaren föreslår en ny riktlinje om de stereomera effekterna av fullerenderivat för att utforma effektiva elektronacceptorer, som mer fullständigt redogör för de faktorer som påverkar solcells prestanda. Det ger också nya idéer för att utveckla utmärkta elektronacceptorer med hög elektronmobilitet, stark ljusabsorption, god löslighet, hög elektronaffinitet och god kompatibilitet med givarmaterial.
