Гибкий солнечный элемент достигает значительного повышения эффективности преобразования энергии

Иллюстрация встроенных агрегаций сплавов «сплавов» хоста/гостя в активном слое с тройным компонентом.Кредит: Ли Йонхай

Органические фотоэлектрические солнечные элементы (OSC) являются типом солнечных элементов, в которых используются органические материалы, обычно состоящие из мелких молекул или полимеров, для преобразования солнечного света в электричество, отличные от традиционных неорганических солнечных элементов, которые используют кристаллический кремний или другие неорганические материалы.

Одним из ключевых преимуществ OSC является их гибкость и легкий вес.Они могут быть дешево изготовлены в гибких рулонах, а не на жестких панелях-использующих процессы на основе решений, такие как струйная печать, что придает их подходящим для различных применений, таких как датчики, портативные зарядные устройства или носимая электроника.OSC также могут быть разработаны как полупрозрачные или различные цвета, что позволяет эстетическому интеграциям в здания, окна или другие конструкции.

Однако OSC обладают более низкой эффективностью преобразования мощности (PCE), чем неорганические солнечные элементы.TOSCS в некоторой степени изменила ситуацию.В отличие от традиционных бинарных органических солнечных элементов, которые состоят из донорского материала и акцепторного материала, TOSCS включает в себя дополнительный третий компонент, который часто называют «гостем».Этот гостевой компонент вводится для оптимизации различных аспектов работы солнечного элемента, от настройки внутренних потоков энергии ячейки до улучшения того, как ячейка преобразует свет в власть.

Особый интерес для повышения PCE, гостевой компонент также может расширить спектр света, который может быть поглощен.Выбирая гостевой материал, который поглощает свет в диапазоне, не покрываемом донором или акцептором, общее поглощение солнечного света может быть увеличено.Между тем, морфология пленки смеси, где можно хорошо настроить экситонскую диссоциацию, генерация и транспорт заряда и транспорт.

Учитывая множество различных функций, которые может воспроизводить гостевой компонент, его конкретное местоположение в солнечном элементе «бутерброд» или матрицы может радикально изменить производительность.«В зависимости от его размещения, гостевой компонент может либо передавать энергию молниеносного, либо помочь запечатлеть больше солнечного света»,-сказал Ли Йонхай, соавтор исследования.

Существует три различных возможностей местоположения: встроенные в донорский материал, встроенный в акцепторный материал или каким-то образом рассеивается между границей донора и акцептора, образуя смешанные, сплавные структуры (агрегации).Но до сих пор очень мало внимания уделялось поиску с местом гостевого компонента.

В своем исследовании исследователи использовали гостевой компонент под названием LA1 (который отличается от других материалов для гостевых компонентов в отношении их кристалличности) в TOSC.LA1 является акцептором небольшого молекулы, которого исследователи модифицированы фенилалкильными боковыми цепями - функциональной группой (коллекции атомов в молекулах, которые имеют свой собственный набор свойств), которые обычно используются в проектировании органических материалов для использования в фотоэлектрических устройствах.LA1 был модифицирован с помощью боковой цепи фенилалкила для улучшения его кристалличности и выравнивания, сохраняя при этом удовлетворительную совместимость, в свою очередь, повышая его характеристики в TOSC.

Кроме того, исследователи регулировали распределение своего гостевого компонента, играя с различными условиями, которые регулируют взаимодействие с компонентами хозяина, включая совместимость хозяина/гостя, поверхностную энергию, кристаллическую кинетику и межмолекулярные взаимодействия.Таким образом, они обнаружили, как сплавные агрегации в большинстве молекул гостей, которые также пронизывали и рассеялись в молекулах хозяина.

Впечатляюще, кристаллический размер этих встроенных «сплавов» хоста/гостя может быть легко настроен для улучшения транспортировки электрического заряда и подавленной рекомбинации заряда.В результате исследователи изначально смогли достичь прибыли от PCE более 15%, а затем, объединив свой гостевой компонент с семейством акцепторов Y6 в качестве компонента хозяина, они достигли еще большего повышения эффективности более 19%.

Исследователи считают, что они достигли значительного экспериментального успеха, но движущие силы этих выгод остаются менее хорошо изученными теоретически.Двигаясь вперед, исследователи надеются лучше прояснить эти основные механизмы.

Больше информации: Xiaoning Wang et al., Встроенные агрегации сплавов -хозяев/гостей обеспечивают высокопроизводительные тройные органические фотоэлектрические фотоэлектрики, передовые материалы (2023).Doi: 10.1002/adma.202305652