Más allá de los fullerenos: diseño de aceptores de no fullerenos para eficientes sistemas fotovoltaicos orgánicos

Área de la Ciencia:

• Ciencia de los materiales Ciencia de los materiales.
• Electrónica orgánica y electrónica orgánica.
• La energía fotovoltaica es fotovoltaica.

Sus antecedentes:

• Los fotovoltaicos orgánicos basados en fullereno (OPV) se enfrentan a limitaciones que incluyen bajo voltaje fotovoltaico, alto costo y baja estabilidad.
• Los aceptores de no fullereno (ANF) existentes no han superado el rendimiento del aceptor de fullereno de referencia, el éster metílico [6,6]-fenil-C60-ácido butírico (PC60BM).
• Hay una falta de principios de diseño establecidos para el desarrollo de materiales NFA mejorados.

Objetivo del estudio:

• Diseñar y sintetizar un nuevo material aceptor de no fullereno con propiedades fotovoltaicas mejoradas.
• Investigar las relaciones estructura-propiedad de nuevas moléculas orgánicas 3D para aplicaciones OPV.
• Establecer principios de diseño para NFA de alto rendimiento.

Principales métodos:

• Síntesis de una nueva molécula orgánica 3D multicromofórica, de gran tamaño y no plana, DBFI-T.
• Fabricación y caracterización de células solares de heterounión a granel (BHJ) utilizando DBFI-T, su análogo plano (BFI-P2) y PC60BM con un donante común (PSEHTT).
• Evaluación del rendimiento utilizando mediciones de corriente-voltaje, espectros de eficiencia cuántica externa (EQE) y mediciones de conductividad de microondas (TRMC) con resolución de tiempo de flash de xenón.

Principales resultados:

• La nueva molécula DBFI-T demostró una fotogeneración de carga superior y propiedades de aceptación de electrones en comparación con PC60BM y BFI-P2.
• Las células solares BHJ fabricadas con PSEHTT:DBFI-T lograron una eficiencia de conversión de potencia (PCE) del 5,0%, con una alta corriente de cortocircuito (10,14 mA/cm2) y un voltaje de circuito abierto (0,86 V).
• Las mediciones de espectros EQE y TRMC confirmaron la transferencia de carga eficiente y predijeron el orden de PCE observado: PSEHTT:DBFI-T > PSEHTT:PC60BM > PSEHTT:BFI-P2.

Conclusiones:

• La estrategia de diseño molecular 3D de gran tamaño, multicromofórica y no plana es efectiva para el desarrollo de materiales fotovoltaicos orgánicos de alto rendimiento.
• DBFI-T representa un avance significativo en el desarrollo de aceptores de no fullereno, abordando las limitaciones clave de los sistemas basados en fullereno.
• Este trabajo proporciona información valiosa y principios de diseño para futuras investigaciones en células solares orgánicas eficientes.