Acceptores de conformación de núcleo central que logran un 20,60% de eficiencia a través de la supresión de pérdidas...

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• Productos electrónicos orgánicos
• Las instalaciones fotovoltaicas

Sus antecedentes:

• Lograr celdas solares orgánicas (OSC) de alta eficiencia requiere minimizar las pérdidas de energía no radiativa sin sacrificar métricas de rendimiento como la densidad de corriente de cortocircuito y el factor de llenado.
• Las estrategias actuales de diseño de aceptores a menudo se centran en extender la conjugación, lo que puede presentar desafíos en el control de las pérdidas de energía.

Objetivo del estudio:

• Diseñar y sintetizar nuevos aceptores orgánicos (a-Th2Cl y a-Th2Br) utilizando un enfoque único de modificación del núcleo central.
• Investigar el impacto de una unidad de tiofeno halogenado injertado a través de un enlace único en la conformación molecular, las propiedades fotofísicas y el rendimiento fotovoltaico.
• Explorar el potencial de este diseño para reducir simultáneamente las pérdidas no radiativas y mantener altas eficiencias de conversión de potencia (PCE) en las OSC.

Principales métodos:

• Síntesis de dos nuevos aceptores, a-Th2Cl y a-Th2Br, con una unidad de tiofeno halogenado de enlace único.
• Mediciones del rendimiento cuántico por fotoluminiscencia (PLQY) para evaluar la eficiencia de las emisiones.
• Análisis de la estructura cristalina de rayos X para determinar el comportamiento de empaque y agregación molecular.
• Simulaciones teóricas (por ejemplo, DFT) para comprender las propiedades del estado excitado y la transferencia de carga.
• Fabricación y caracterización de células solares orgánicas utilizando los aceptores sintetizados mezclados con un polímero donante (PM6).

Principales resultados:

• El enlace de enlace único permite la flexibilidad conformacional, suprimiendo el apagado causado por la agregación y mejorando el PLQY.
• El análisis de rayos X reveló una fuerte agregación de J en a-Th2Br, lo que indica un empaque molecular único.
• Las simulaciones teóricas mostraron una reducción de la transferencia de carga en estado excitado y una mayor resistencia del oscilador fluorescente para los agregados a-Th2Br en comparación con un valor de referencia.
• Las células solares orgánicas fabricadas con PM6:a-Th2Cl y PM6:a-Th2Br alcanzaron PCE de 19,87% y 20,60% (certificado 20,05%), respectivamente.
• Estos dispositivos exhibieron notablemente bajas pérdidas de energía no radiativa de 0.202 eV y 0.194 eV.

Conclusiones:

• La estrategia de ingeniería central propuesta suprime efectivamente las pérdidas de energía no radiativa en las células solares orgánicas.
• Este enfoque mantiene una alta densidad de corriente de cortocircuito y un factor de llenado, lo que lleva a altas eficiencias de conversión de potencia.
• Los receptores diseñados demuestran un potencial significativo para el avance de la tecnología fotovoltaica orgánica de alto rendimiento.