La autoagregación y la cristalinidad del polímero semiconductor de ajuste fino permiten una morfología óptima y...

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• Productos electrónicos orgánicos
• Química de los polímeros

Sus antecedentes:

• La agregación y la cristalización de polímeros son fundamentales para el rendimiento de las células solares de polímeros.
• Controlar el autoensamblaje del polímero para una morfología óptima de la capa activa en todas las PSC es un desafío.
• Los polímeros aceptores basados en diimida de naftaleno (NDI), como el N2200, a menudo muestran una fuerte autoagregación.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar una estrategia para modular la autoagregación y la cristalinidad de los polímeros aceptores basados en NDI.
• Investigar el impacto de la agregación controlada en la morfología y el rendimiento de todas las PSC.
• Establecer relaciones estructura-propiedad para el diseño de materiales de alto rendimiento de todo PSC.

Principales métodos:

• Síntesis de copolímeros aleatorios (PNDI-CBS) mediante la sustitución de las cadenas laterales de alquilo por cadenas laterales compactas y voluminosas (CBS) en polímeros NDI.
• Caracterización de la agregación de la fase de solución y la cristalinidad en estado sólido mediante absorción UV-vis, espectroscopia PL, análisis térmico y GIWAXS.
• Fabricación y ensayo del rendimiento fotovoltaico de todas las PSC que mezclan PNDI-CBS con un polímero donante (PBDB-T).
• Análisis morfológico mediante apagado PL y R-SoXS.

Principales resultados:

• El aumento de la fracción molar de las unidades de CBS suprimió progresivamente la agregación y la cristalinidad del polímero.
• Todos los PSC fabricados con polímeros aceptores más amorfos lograron un aumento significativo de la eficiencia de conversión de potencia (PCE) hasta el 8,5%.
• La reducción de la agregación del aceptor condujo a dominios de separación de fase más pequeños y una mayor densidad de corriente de cortocircuito (Jsc).
• La menor cristalinidad hizo que las capas activas fueran menos sensibles a los métodos de deposición de película, lo que permitió un procesamiento más fácil.
• La reducción excesiva en la agregación del aceptor aumentó el tamaño del dominio de separación de fase del donante y los cristalitos del polímero donante, reduciendo el rendimiento.

Conclusiones:

• La modulación sistemática de la agregación de polímeros aceptores a través de la ingeniería de la cadena lateral es una estrategia efectiva para mejorar el rendimiento de todas las PSC.
• El equilibrio óptimo en la fuerza de agregación entre los polímeros donantes y aceptantes es crucial para lograr una alta PCE y la morfología deseada de la capa activa.
• Los copolímeros PNDI-CBS desarrollados ofrecen un camino hacia todas las PSC procesables y de alto rendimiento.