Copolímeros semiconductores tipo n de naftaleno diimida-perileno diimida: controlando la cristalinidad, la morfología...

Área de la Ciencia:

• La electrónica orgánica es la electrónica orgánica.
• Ciencia de los materiales ciencia de los materiales.
• La energía fotovoltaica es fotovoltaica.

Sus antecedentes:

• Comprensión limitada de los factores que rigen el rendimiento de las células solares de heterojunción masiva (BHJ).
• La compatibilidad, la morfología de la mezcla y la eficiencia son críticas pero no se entienden completamente.
• La cristalinidad de los componentes del polímero es un factor clave potencial.

Objetivo del estudio:

• Para investigar el papel de la cristalinidad a granel en el rendimiento de las células solares BHJ.
• Diseñar y sintetizar nuevos copolímeros semiconductores con cristalinidad sintonizable.
• Para correlacionar la composición del copolímero, la cristalinidad, la morfología de la mezcla y las propiedades fotovoltaicas.

Principales métodos:

• Síntesis de copolímeros aleatorios de naftaleno diimida (NDI) - selenofeno / perileno diimida (PDI) - selenofeno (xPDI).
• Fabricación y caracterización de las células solares BHJ utilizando estos copolímeros como aceptores de electrones.
• Análisis de la morfología de la mezcla, la cristalinidad (usando el tamaño del dominio Lc) y los parámetros fotovoltaicos (PCE, Jsc, eficiencia cuántica externa).

Principales resultados:

• Un copolímero de NDI-selenofeno de referencia emparejado con un donante PBDTTT-CT dio como resultado mezclas incompatibles y baja PCE (1,4%).
• Un copolímero 30PDI con una cristalinidad óptima (Lc = 5,11 nm) produjo mezclas compatibles y un rendimiento significativamente mejorado de las células solares (PCE = 6,3%, Jsc = 18,6 mA/cm2).
• Los parámetros fotovoltaicos en los dispositivos 30PDI:PBDTTT-CT superaron los récords previos de células solares totalmente poliméricas e incluso las células basadas en fullereno.

Conclusiones:

• La cristalinidad a granel de los aceptores de polímeros es un factor crítico para la compatibilidad, la morfología y la eficiencia de las células solares BHJ.
• El diseño molecular de copolímeros aleatorios permite un control preciso de la cristalinidad.
• Estos hallazgos permiten el desarrollo de células solares todo-polímero de alto rendimiento a través de diseño molecular a medida.