Os pesquisadores da Skoltech e seus colegas sintetizaram um novo polímero conjugado para eletrônica orgânica usando duas reações químicas diferentes e mostraram o impacto dos dois métodos em seu desempenho em células solares orgânicas e perovskita. O artigo foi publicado na revista Química Macromolecular e Física .

Enquanto o mundo tenta fazer a transição para energia limpa e renovável, como a energia solar, os cientistas estão trabalhando para tornar as células solares mais eficientes na produção de eletricidade. Entre as abordagens promissoras estão duas tecnologias fotovoltaicas em rápido desenvolvimento com potencial para geração de energia solar sustentável de baixo custo:células solares orgânicas e células solares de perovskita de haleto de chumbo. Sua principal vantagem sobre as células solares comerciais baseadas em silício cristalino é o baixo custo de deposição da camada fotoativa da solução. Torna a produção de energia mais barata, simplifica a ampliação com técnicas de impressão e fabricação rolo a rolo, e permite a fabricação de dispositivos em superfícies flexíveis e extensíveis.

Contudo, Existem vários obstáculos para a adoção generalizada dessas tecnologias. Por uma coisa, a eficiência das células solares orgânicas ainda tem um longo caminho a percorrer. Isso exigirá ajustes na composição da camada fotoativa. Em células solares orgânicas, a conversão de luz em energia ocorre na camada fotoativa que consiste em uma mistura de materiais doadores e aceitadores - o doador geralmente é um polímero conjugado.

Quanto às células solares perovskita, eles alcançaram uma eficiência de registro certificada espetacular de 25,5%, mas a estabilidade a longo prazo continua a ser um problema. Pesquisas recentes mostraram que a estabilidade do dispositivo pode ser melhorada cobrindo o material perovskita fotoativo com uma camada de extração de carga que fornece encapsulamento eficiente. Entre outros materiais, esta função protetora pode ser cumprida por polímeros conjugados, tornando importante maximizar sua qualidade, melhorando sua síntese.

"Os polímeros conjugados têm uma variedade de aplicações importantes, nos levando a investigar maneiras de otimizar sua síntese para melhorar sua qualidade, o que levaria a um melhor desempenho dos dispositivos fotovoltaicos. Nosso estudo se concentra em um tipo específico de polímeros conjugados, que contêm a unidade isoindigo na cadeia do polímero. Os resultados demonstram que entre as duas vias sintéticas aplicadas para a síntese de materiais à base de isoindigo, a reação de Stille deve ter preferência sobre a reação de Suzuki como a etapa final na síntese, "A estudante de Ph.D. da Skoltech, Marina Tepliakova, explicou.

Junto com Skoltech Provost Keith Stevenson e seus colegas do Instituto RAS para Problemas de Física Química, Marina Tepliakova sintetizou um polímero conjugado à base de isoíndigo, um isômero do conhecido corante índigo. A equipe empregou duas vias de síntese comumente usadas para produzir polímeros baseados em isoíndigo:as reações de policondensação de Stille e Suzuki.

Polímeros conjugados são materiais orgânicos geralmente contendo unidades doadoras e aceitadoras alternadas em sua estrutura, razão pela qual eles também são referidos como materiais D-A-D-A-D. As unidades D e A, chamados monômeros, estão ligados em cadeias poliméricas usando várias reações de polimerização, cada um dos quais depende dos monômeros que carregam certos grupos funcionais adicionais para começar. Para polímeros que incorporam a unidade de isoíndigo como o componente aceitador, duas rotas sintéticas estão disponíveis, e o estudo da equipe Skoltech-IPCP RAS examinou os dois.

Além da distinção do grupo funcional mencionada acima, as duas vias de síntese são diferentes em termos das condições de reação exigidas. Por exemplo, o processo de policondensação Suzuki requer que uma base inorgânica esteja presente junto com os dois monômeros na mistura de fluidos imiscíveis:água e solvente orgânico. A transferência de monômeros entre as fases é ativada por moléculas especiais conhecidas como catalisadores de transferência. A reação de Stille geralmente ocorre em uma fase e em temperaturas elevadas. Adicionalmente, ambas as reações requerem catalisadores à base de paládio.

"Nossa primeira observação foi que as condições padrão da reação de Suzuki eram incompatíveis com a síntese de monômero à base de isoíndigo, "Marina Tepliakova comentou." Usando cromatografia líquida de alta performance, observamos a decomposição do sinal de monômero em três sinais distintos de alguns subprodutos com diferentes tempos de retenção nas condições padrão de Suzuki. Isso significava que estava ocorrendo a destruição irreversível do monômero à base de isoíndigo. Portanto, ajustamos as condições de reação até que não fossem prejudiciais ao material. "

Depois de ajustar a reação da Suzuki, a equipe passou a sintetizar o polímero usando ambas as vias. Os materiais resultantes apresentaram pesos moleculares semelhantes e propriedades optoeletrônicas. Próximo, os pesquisadores testaram as amostras em dispositivos fotovoltaicos:células solares orgânicas e perovskita. O polímero obtido pela reação de Stille demonstrou desempenho superior com eficiências de 15,1% e 4,1% em perovskita e células solares orgânicas, respectivamente; com o material derivado de Suzuki entregando 12,6% e 2,7% de eficiência.

A equipe atribuiu a diferença de desempenho à presença das chamadas armadilhas de carga no material obtido pela reação de Suzuki. Esta suposição foi confirmada usando uma técnica chamada ressonância elétron-spin, que mostrou que o material obtido pela via de Stille tinha cinco vezes menos defeitos.

Ao ajustar a abordagem para a síntese de monômero à base de isoíndigo, os pesquisadores descobriram uma maneira de produzir material de alta qualidade com bom desempenho em células fotovoltaicas. Em um experimento de acompanhamento, a equipe agora está sintetizando vários materiais a serem testados em células solares de perovskita. Esse próximo estudo irá esclarecer como a estrutura do material se relaciona com o desempenho do dispositivo.