Первая теоретическая основа высокоэффективных фотоэлектрических параметров путем структурной модификации бензотиофеном

Том 12 научных докладов, Номер статьи: 20148 (2022) Цитировать эту статью

1004 доступа

6 цитат

2 Альтметрика

Подробности о метриках

В настоящее время исследователи постоянно прилагают усилия по повышению производительности устройств на солнечной энергии с целью повышения роли фотоэлектрических материалов в современных высокотехнологичных оптоэлектронных приложениях. Учитывая недавнюю энергетическую ситуацию во всем мире, в эту эпоху исследования переключаются с фуллереновых на нефуллереновые электроноакцепторные фрагменты, учитывая их выдающийся вклад в органические солнечные элементы (OSC). Поэтому мы разработали семь новых нефуллереновых конденсированных кольцевых хромофоров-акцепторов электронов (MD2–MD8) из DOC2C6-2F путем структурной адаптации с различными акцепторами на концевых единицах. Исследование DFT было проведено в функциональном центре B3LYP для обнаружения оптоэлектронных характеристик недавно адаптированных хромофоров. Для понимания фотоэлектрического отклика MD2 был проведен различный анализ, такой как граничные молекулярные орбитали (FMO), матрица плотности перехода (TDM), плотность состояний (DOS), энергия связи (Eb), энергия реорганизации, напряжение разомкнутой цепи (Voc). –MD8. В производных по сравнению с MR1 было исследовано уменьшение ширины запрещенной зоны (1,940–1,571 эВ) с более широким спектром поглощения (725,690–939,844 нм в хлороформе) наряду с большей скоростью переноса заряда от ВЗМО к НСМО (Egap = 1,976 эВ, λmax = 738,221 нм). ), кроме MD7. Далее во всех производных исследовались меньшие значения Eb (0,252–0,279 эВ), чем у сравнения (0,296 эВ). Эти более низкие значения энергии связи MD2–MD8 указывают на более высокую скорость диссоциации возбуждения с большей скоростью передачи заряда, чем у MR1, что дополнительно подтверждается анализами DOS и TDM. Кроме того, также была проверена наименьшая энергия реорганизации в вышеупомянутых соединениях для дырки с электроном. Более того, для всех исследованных соединений был отмечен хороший фотовольтаический отклик Voc, что указывает на то, что эти соединения пригодны для синтеза OSC в будущем.

Технологии OSC продвинулись вперед с точки зрения архитектуры, технологий обработки и полупроводниковых материалов1,2. Солнечные элементы, имеющие многообещающее будущее в качестве экологически чистой замены ископаемого топлива, — это органические солнечные элементы (OSC). Благодаря огромным преимуществам в производстве, небольшому весу, гибкости и дешевизне эта фотоэлектрическая технология на протяжении десятилетий привлекала внимание промышленного и академического сообщества3. В текущем сценарии наиболее многообещающим подходом преобразования солнечного света в электрическую энергию является использование солнечных батарей с использованием фотоэлектрического эффекта. Раньше кремний считался эффективным полупроводниковым материалом для солнечных элементов из-за его более высокого коэффициента преобразования энергии (PCE), теплопостоянства и простоты доступа. В настоящее время использование кремния в солнечных элементах на основе кремния ограничено из-за определенных факторов, таких как высокая стоимость, хрупкость и фиксированный уровень энергии4. Недавно OSC с объемным гетеропереходом (BHJ)5 стали привлекательными кандидатами на глобальные источники зеленой энергии благодаря своим исключительным характеристикам, таким как гибкость, полупрозрачность, настраиваемые уровни энергии, экономическая жизнеспособность и потенциальное коммерческое применение6. OSC представляют собой смесь донорных и акцепторных молекул, которые напрямую связаны друг с другом через основную цепь. OSC, содержащие акцепторы фуллеренов, обладают привлекательными преимуществами, включая улучшенный PCE, более высокую подвижность заряда7. Несмотря на эти преимущества, были обнаружены определенные ограничения, связанные с акцепторами фуллеренов, которые ограничивают их использование8. Чтобы преодолеть такие недостатки производных фуллеренов, большое внимание было уделено нефуллереновым акцепторам (NFA)9 с основной цепью акцептор-донор-акцептор (A-D-A)10. Разнообразие A–D–A представляет особый интерес из-за их уникальных свойств, таких как широкие и эффективные полосы поглощения и регулируемые уровни энергии11. Комбинация A–D–A состоит из центральной донорной основной единицы, которая соединена с двумя боковыми электронодефицитными концевыми акцепторами через химическую связь. Сужение запрещенной зоны HOMO-LUMO оказалось наиболее эффективной стратегией улучшения PCE и фотоэлектрических свойств OSC на основе нефуллеренов12. Этого можно успешно добиться, выбрав подходящий донор электронов и изъяв части13.