Crédito:Science China Press
As células solares orgânicas / poliméricas representam a direção mais importante para a energia verde no futuro. Os aceitadores de elétrons do fulereno têm sido amplamente usados em células solares orgânicas / poliméricas, bem como em células solares de perovskita. Um estudo recente revela que o desempenho fotovoltaico pode ser influenciado pelo estereômero de fulereno, implicando que o efeito estereomérico deve ser considerado para novos derivados de fulereno projetados como aceitadores de elétrons.
O papel foi relatado em Boletim de Ciências Edição de 2016 (2), intitulado "Efeitos estereoméricos de bisPC 71 BM no desempenho da célula solar de polímero "e" Visão teórica sobre o efeito estereométrico do bisPC 71 BM no desempenho da célula de polímero, "por Su-Yuan Xie e Yi Zhao et al da Universidade de Xiamen. Os autores sintetizaram e separaram dois estereômeros de análogos bisaddutos de [6, 6] -fenil-C 71 éster metílico de ácido butírico (bisPC 71 BM). Embora ambos os isômeros tenham as mesmas propriedades espectrométricas e eletrônicas, os pesquisadores encontraram uma discrepância fotovoltaica. Apoiado por análises cristalográficas e teóricas, o desempenho fotovoltaico dependente de estereômero foi revelado como resultado de uma discrepância de empacotamento molecular.
Até agora, derivados de fulereno [6, 6] -fenil-C 61 éster metílico de ácido butírico (PC 61 BM) e seu PC analógico C70 71 BM ainda domina os aceitadores de fulereno, que foram desenvolvidos há 20 anos. Devido às suas excelentes propriedades, incluindo alta mobilidade de elétrons, forte absorção de luz, boa solubilidade, alta afinidade de elétrons e boa compatibilidade com materiais doadores, PC 61 BM e PC 71 BM são os melhores aceptores de elétrons sintetizados até agora. Nos últimos 20 anos, esforços têm sido feitos para desenvolver novos aceitadores de elétrons superiores ao PC 61 BM / PC 71 BM. Contudo, é difícil de realizar. Requer um núcleo de fulereno adequado, ao qual os grupos funcionais corretos são anexados, e depende do número de adendos e sua posição de adição, etc. Embora os pesquisadores nunca parem de sintetizar novos aceptores de fulereno de acordo com essas diretrizes, e centenas de aceitadores de fulereno foram sintetizados nos últimos 20 anos, o desempenho fotovoltaico desses aceitadores de fulereno ainda não é bom o suficiente.
Em princípio, se os pesquisadores podem considerar esses fatores, poderia ser possível obter aceitadores de fulereno com um desempenho fotovoltaico específico. Então, por que os pesquisadores não conseguiram criar melhores aceitadores de elétrons fullerine? Existem outros fatores que devem ser levados em consideração?
Deve-se notar que os derivados de fulereno sintetizados têm estereômeros, mesmo ao considerar tais diretrizes como o núcleo de fulereno, o tipo de grupos funcionais ligados ao núcleo de fulereno, e o número de adendos e sua posição de adição. Esses estereômeros de fulereno têm desempenho fotovoltaico diferente? Para resolver esta questão, os pesquisadores projetaram dois estereômeros de análogos bissadutos do PC 71 BM (bisPC 71 BM) com configuração cis ou trans, que foram usados como aceptores de elétrons em células solares de polímero. Eles demonstraram que os dois estereômeros têm níveis de energia LUMO e absorção de luz muito semelhantes, bem como outras propriedades.
Contudo, células solares de polímero com base nos dois estereômeros exibiram desempenho fotovoltaico diferente (em comparação com cis-bisPC 71 BM, o trans-bisPC 71 BM tem uma eficiência de cerca de 7 por cento para melhorar a eficiência de conversão de energia de células solares de polímero). Uma investigação mais aprofundada mostra que a diferença no padrão de empacotamento de cristal de bisPC 71 Os isômeros BM são a principal causa de seu desempenho fotovoltaico divergente. Uma investigação teórica também revela que o empacotamento molecular dos isômeros afeta a mobilidade do elétron e a eficiência da dissociação do exciton. Assim, as investigações experimentais e teóricas demonstram que os efeitos estereométricos dos aceitadores de fulereno têm um impacto importante no desempenho da célula solar. Portanto, uma nova diretriz para projetar aceitadores de elétrons eficientes foi proposta.
A principal dificuldade deste experimento é a síntese e separação de bisPC 71 Estereômeros BM. Os dois estereômeros foram separados por um estágio múltiplo, técnica de cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC) de 28 isômeros. As estruturas moleculares foram determinadas de forma inequívoca por análise de cristal único de raios-X para determinar sua estrutura cristalina e empacotamento molecular. Células solares de heterojunção em massa usando poli (3-hexiltiofeno) (P 3 HT) como doador e bisPC 71 O estereômero BM como aceitador foi fabricado e o desempenho fotovoltaico foi avaliado para investigar os efeitos estereoméricos do bisPC 71 BM no desempenho da célula solar de polímero. A investigação teórica foi realizada através de métodos combinados de cálculos de estrutura eletrônica e teoria de Marcus, com ênfase no emprego de parâmetros estruturais independentes para prever variáveis mensuráveis no experimento.
Ao comparar resultados de cálculos teóricos com dados experimentais, investigação teórica revela o mecanismo por trás dos diferentes processos fotofísicos causados por estereômeros e propõe possíveis formas de aumentar ainda mais o desempenho fotovoltaico. Portanto, o pesquisador propõe uma nova diretriz sobre os efeitos estereoméricos do derivado de fulereno para projetar aceitadores de elétrons eficientes, que explica mais completamente os fatores que afetam o desempenho fotovoltaico. Ele também fornece novas idéias para o desenvolvimento de excelentes aceitadores de elétrons com alta mobilidade de elétrons, forte absorção de luz, boa solubilidade, alta afinidade eletrônica e boa compatibilidade com materiais doadores.
