Primo quadro teorico per parametri fotovoltaici ad alta efficienza mediante modifica strutturale con benzotiofene

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 20148 (2022) Citare questo articolo

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Al giorno d'oggi, i ricercatori si impegnano costantemente per migliorare le prestazioni dei dispositivi basati sull'energia solare con l'obiettivo di aumentare il ruolo dei materiali fotovoltaici nelle moderne applicazioni optoelettroniche ad alta tecnologia. Considerando le recenti condizioni energetiche in tutto il mondo, in questa era la ricerca viene deviata dalle parti accettrici di elettroni fullereniche a quelle non fullereniche, considerando il loro notevole contributo nelle celle solari organiche (OSC). Pertanto, abbiamo progettato sette nuovi cromofori accettori di elettroni ad anello fuso non fullerenico (MD2-MD8) da DOC2C6-2F mediante personalizzazione strutturale con diversi accettori in unità end-capped. Lo studio DFT è stato eseguito presso il funzionale B3LYP per scoprire le caratteristiche optoelettroniche dei cromofori appena personalizzati. Sono state effettuate varie analisi come orbitali molecolari di frontiera (FMO), matrice di densità di transizione (TDM), densità di stati (DOS), energia di legame (Eb), energia di riorganizzazione, tensione a circuito aperto (Voc) per comprendere la risposta fotovoltaica di MD2 –MD8. La diminuzione delle bande proibite (1.940–1.571 eV) con uno spettro di assorbimento più ampio (725.690–939.844 nm in cloroformio) insieme a una maggiore velocità di trasferimento di carica da HOMO a LUMO sono state esaminate nei derivati ​​rispetto a MR1 (Egap = 1.976 eV, λmax = 738.221 nm ) tranne MD7. Inoltre, in tutti i derivati, sono stati esaminati valori più piccoli di Eb (0,252–0,279 eV) rispetto a quello di riferimento (0,296 eV). Questi valori di energia di legame inferiori di MD2-MD8 indicavano il tasso più elevato di dissociazione dell'eccitazione con velocità di trasferimento del caricatore lager rispetto a MR1, ulteriormente supportato dalle analisi DOS e TDM. Inoltre è stata verificata anche l'energia di riorganizzazione minima nei suddetti composti per lacuna con elettrone. Inoltre, Voc è stata notata una buona risposta fotovoltaica per tutti i composti studiati, il che indica che questi composti sono adatti a sintetizzare OSC in futuro.

Le tecnologie degli OSC sono progredite in termini di architettura, tecniche di lavorazione e materiali semiconduttori1,2. Le celle solari che hanno un futuro promettente come sostituzione sostenibile e pulita dei combustibili fossili sono le celle solari organiche (OSC). Grazie ai profondi vantaggi nella produzione, al peso ridotto, alla flessibilità e al minor costo, questa tecnologia fotovoltaica è stata all'attenzione della comunità industriale e accademica per decenni3. Nello scenario attuale, l’approccio più promettente per convertire la luce solare in energia elettrica è attraverso le celle solari mediante l’utilizzo dell’effetto fotoelettrico. Precedentemente, il silicio è considerato il materiale semiconduttore efficiente nelle celle solari grazie alla sua maggiore efficienza di conversione di potenza (PCE), costanza del calore e facilità di accesso. Al giorno d'oggi, l'utilizzo del silicio nelle celle solari a base di silicio è limitato a causa di alcuni fattori come il costo elevato, la fragilità e i livelli di energia fissi4. Recentemente gli OSC a eterogiunzione di massa (BHJ)5 sono emersi come candidati attraenti per le fonti di energia verde globale grazie alle loro caratteristiche eccezionali come flessibilità, semitrasparenza, livelli di energia sintonizzabili, fattibilità economica e potenziali applicazioni commerciali6. Gli OSC hanno una miscela di molecole donatrici e accettrici che si collegano direttamente tra loro attraverso una spina dorsale. Gli OSC dotati di accettori di fullerene detengono risorse interessanti tra cui un PCE migliorato e una maggiore mobilità della carica7. Nonostante questi vantaggi, sono state riscontrate alcune limitazioni associate agli accettori di fullerene che ne limitano l'uso8. Per superare tali carenze dei derivati ​​del fullerene, è stata prestata molta attenzione ai materiali non accettori del fullerene (NFA)9 con una struttura accettore-donatore-accettore (A–D–A). La diversità A–D–A è di particolare interesse a causa delle loro proprietà uniche come bande di assorbimento ampie ed efficienti e livelli di energia regolabili11. La combinazione A-D-A comprende un'unità centrale del donatore collegata con due accettori laterali con estremità carente di elettroni tramite legame chimico. Restringere il gap di banda HOMO-LUMO si è rivelata la strategia più efficace per migliorare le proprietà PCE e fotovoltaiche degli OSC non basati su fullerene12. Ciò può essere ottenuto con successo scegliendo il donatore di elettroni e le parti ritiranti appropriate13.