Ассиметричний дизайн бічних ланцюгів підвищує ефективність органічних сонячних елементів у товстих плівках

Інноваційний акцептор TT-Ph-C6: новий етап для органічних сонячних елементів

В останніх дослідженнях, проведених спільною командою з Пекінського нормального університету та Університету Ціндао, було розроблено новаторський нерозподільний електронний акцептор (NFREA) під назвою TT-Ph-C6. Цей матеріал значно підвищує ефективність органічних сонячних елементів товстої плівки, вирішуючи попередні обмеження по товщині плівки та коефіцієнтах заповнення.

Дослідницька команда, очолювана професорами Чжішаном Бо, Цюйхонгом Лі, Яхуєм Лю та Хао Лу, застосувала унікальну асиметричну стратегію проектування бічних груп на TT-Ph-C6. Це дозволило досягти рекордного коефіцієнта заповнення 80.1% для органічних сонячних елементів на основі NFREA.

Пристрої на базі TT-Ph-C6 демонструють неймовірну ефективність перетворення потужності (PCE) рівнем в 18.01%. Вони також зберігають високу продуктивність навіть при збільшеній товщині активного шару — отримуючи PCE 15.18% при товщині 200 нанометрів і 14.64% при 300 нанометрах. Ці результати вносять TT-Ph-C6 до переліку найефективніших нерозподільних акцепторів.

Структурні особливості TT-Ph-C6, зокрема, асиметричні фенілалкіламінові бічні ланцюги, підвищують розчинність та сприяють компактній тривимірній молекулярній укладці. Сильні p-p взаємодії з укладкою на відстані 3.21 ангстрома та наявність нековалентних зв’язків S—O/N підтримують щільну упаковку матеріалу.

Ці характеристики сприяють збалансованому переносу зарядів у активному шарі. Зокрема, мобільність електронів досягає 2.48 × 10^-4 см² В^-1 с^-1, а співвідношення мобільності електронів до дірок (ue/uh) майже дорівнює 1, що допомагає оптимізувати коефіцієнт заповнення та коротке замикання.

Дослідження показують розширене дифузійне охоплення збуджених станів та ефективний перенесення зарядів у сумішах TT-Ph-C6. Зокрема, довжина дифузії збуджених станів досягає 17.2 нанометрів, що краще за симетричний контрольний матеріал, де цей показник становить 13.4 нанометри. Ефективність передачі дірок становить 91.2%, що значно зменшує втрати рекомбінації.

При створенні цих пристроїв використовували о-ксилент як розчинник, уникнувши застосування галогенованих добавок. Дослідницька команда наразі зосереджена на масштабуванні процесу для виробництва гнучких модулів з можливістю рулонного виробництва. Майбутні роботи зосередяться на розширенні бібліотеки асиметричних бічних ланцюгів з метою створення тандемних архітектур та систем з нижчими енергетичними щілинами. Це підкреслює важливість дизайну б