Skoltech -forskare och deras kollegor har syntetiserat en ny konjugerad polymer för organisk elektronik med hjälp av två olika kemiska reaktioner och visat effekten av de två metoderna på dess prestanda i organiska och perovskitiska solceller. Tidningen publicerades i tidningen Makromolekylär kemi och fysik .

När världen försöker övergå till ren och förnybar energi, som solenergi, forskare arbetar med att göra solceller effektivare för att producera el. Bland de lovande tillvägagångssätten finns två snabbt utvecklade fotovoltaiska tekniker med potential för billig hållbar solenergiproduktion:organiska solceller och blyhalogenidperovskitsolceller. Deras främsta fördel gentemot de kommersiella solcellerna baserade på kristallint kisel är den låga kostnaden för att deponera det fotoaktiva lagret från lösningen. Det gör energiproduktionen billigare, förenklar skalning med trycktekniker och tillverkning av rullar, och möjliggör tillverkning av enheter på flexibla och töjbara ytor.

Dock, det finns flera hinder för den utbredda tillämpningen av denna teknik. För en sak, effektiviteten hos organiska solceller har fortfarande en lång väg att gå. Detta kommer att kräva justering av fotoaktiv skiktkomposition. I organiska solceller, ljus-till-energi-omvandlingen sker i det fotoaktiva skiktet som består av en blandning av donator- och acceptormaterial-givaren är vanligtvis en konjugerad polymer.

När det gäller perovskit solceller, de har nått en spektakulär 25,5% certifierad rekordeffektivitet, men långsiktig stabilitet är fortfarande ett problem. Ny forskning har visat att enhetens stabilitet kan förbättras genom att täcka det fotoaktiva perovskitmaterialet med ett laddningsextraktionsskikt som ger effektiv inkapsling. Bland annat material, denna skyddsfunktion kan uppfyllas av konjugerade polymerer, vilket gör det viktigt att maximera deras kvalitet genom att förbättra deras syntes.

"Konjugerade polymerer har en mängd viktiga tillämpningar, uppmanar oss att undersöka sätt att optimera sin syntes för att förbättra deras kvalitet, vilket skulle leda till en bättre prestanda för solcellsanläggningar. Vår studie fokuserar på en viss typ av konjugerade polymerer, som innehåller isoindigo -enheten i polymerkedjan. Fynden visar att mellan de två syntetiska vägar som tillämpas för syntes av isoindigo-baserade material, Stille -reaktionen bör ges företräde framför Suzuki -reaktionen som det sista steget i syntesen, "Skoltech doktorand Marina Tepliakova förklarade.

Tillsammans med Skoltech -prosten Keith Stevenson och deras kollegor från RAS Institute for Problems of Chemical Physics, Marina Tepliakova syntetiserade en konjugerad polymer baserad på isoindigo, en isomer av det välkända indigofärgämnet. Teamet använde två syntesvägar som vanligtvis används för att producera isoindigo-baserade polymerer:Stille och Suzuki polykondensationsreaktioner.

Konjugerade polymerer är organiska material som vanligtvis innehåller alternerande donator- och acceptorenheter i sin struktur, varför de också kallas D-A-D-A-D-material. D- och A -enheterna, kallas monomerer, är kopplade till polymerkedjor med olika polymerisationsreaktioner, var och en förlitar sig på att monomererna bär vissa ytterligare funktionella grupper till att börja med. För polymerer som innehåller isoindigo -enheten som acceptorkomponent, två syntetiska vägar är tillgängliga, och studien av Skoltech-IPCP RAS-teamet undersökte dem båda.

Förutom den funktionella gruppdifferens som nämns ovan, de två syntesvägarna är olika när det gäller de reaktionsbetingelser som krävs. Till exempel, Suzukis polykondensationsprocess kräver att en oorganisk bas är närvarande tillsammans med de två monomererna i blandningen av icke blandbara vätskor:vatten och organiskt lösningsmedel. Monomeröverföring mellan faser möjliggörs av speciella molekyler som kallas överföringskatalysatorer. Stille -reaktionen sker vanligtvis i en fas och vid förhöjda temperaturer. Dessutom, båda reaktionerna kräver palladiumbaserade katalysatorer.

"Vår första observation var att standardförhållandena för Suzuki-reaktionen var oförenliga med isoindigo-baserad monomersyntes, "Kommenterade Marina Tepliakova." Med hjälp av högpresterande vätskekromatografi, vi observerade monomersignalsönderdelning i tre distinkta signaler från vissa biprodukter med olika kvarhållningstider under standard Suzuki -förhållanden. Detta innebar att irreversibel förstörelse av den isoindigo-baserade monomeren ägde rum. Så vi justerade reaktionsförhållandena tills de inte var skadliga för materialet. "

Efter att ha justerat Suzuki -reaktionen, laget fortsatte med att syntetisera polymeren med båda vägarna. De resulterande materialen befanns ha liknande molekylvikter och optoelektroniska egenskaper. Nästa, forskarna testade proverna i fotovoltaiska enheter:organiska och perovskit solceller. Polymeren som erhållits med hjälp av Stille -reaktionen visade överlägsen prestanda med effektivitet på 15,1% och 4,1% i perovskit och organiska solceller, respektive; med det Suzuki-härledda materialet som ger 12,6% och 2,7% effektivitet.

Teamet hänförde skillnaden i prestanda till förekomsten av så kallade laddningsfällor i materialet som erhållits med hjälp av Suzuki-reaktionen. Detta antagande bekräftades med en teknik som kallas elektron-spin-resonans, som visade att materialet som erhållits via Stille -banan hade fem gånger färre defekter.

Genom att justera tillvägagångssättet för isoindigo-baserad monomersyntes, forskarna har hittat ett sätt att producera material av hög kvalitet som fungerar bra i solceller. I ett uppföljande experiment, laget syntetiserar nu flera material som ska testas i perovskitsolceller. Den kommande studien kommer att klargöra hur materialstruktur förhåller sig till enhetens prestanda.