Skoltech-onderzoekers en hun collega's hebben een nieuw geconjugeerd polymeer voor organische elektronica gesynthetiseerd met behulp van twee verschillende chemische reacties en hebben de impact van de twee methoden op de prestaties ervan in organische en perovskiet-zonnecellen aangetoond. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Macromoleculaire chemie en fysica .

Terwijl de wereld probeert over te stappen op schone en hernieuwbare energie, zoals zonne-energie, wetenschappers werken aan het efficiënter maken van zonnecellen in het produceren van elektriciteit. Tot de veelbelovende benaderingen behoren twee zich snel ontwikkelende fotovoltaïsche technologieën met potentieel voor goedkope duurzame opwekking van zonne-energie:organische zonnecellen en loodhalogenide-perovskiet-zonnecellen. Hun belangrijkste voordeel ten opzichte van de commerciële zonnecellen op basis van kristallijn silicium zijn de lage kosten van het afzetten van de fotoactieve laag uit oplossing. Het maakt de energieproductie goedkoper, vereenvoudigt opschalen met printtechnieken en roll-to-roll fabricage, en maakt fabricage van apparaten op flexibele en rekbare oppervlakken mogelijk.

Echter, er zijn verschillende obstakels voor de wijdverbreide toepassing van deze technologieën. Voor een ding, het rendement van organische zonnecellen heeft nog een lange weg te gaan. Dit vereist een aanpassing van de fotoactieve laagsamenstelling. In organische zonnecellen, de omzetting van licht naar energie vindt plaats in de fotoactieve laag die bestaat uit een mengsel van donor- en acceptormaterialen - de donor is meestal een geconjugeerd polymeer.

Wat betreft perovskiet-zonnecellen, ze hebben een spectaculaire 25,5% gecertificeerde recordefficiëntie bereikt, maar stabiliteit op lange termijn blijft een probleem. Recent onderzoek heeft aangetoond dat de stabiliteit van het apparaat kan worden verbeterd door het fotoactieve perovskietmateriaal te bedekken met een lading-extractielaag die zorgt voor een efficiënte inkapseling. Onder andere materialen, deze beschermende functie kan worden vervuld door geconjugeerde polymeren, waardoor het belangrijk is om hun kwaliteit te maximaliseren door hun synthese te verbeteren.

"Geconjugeerde polymeren hebben verschillende belangrijke toepassingen, ons ertoe aanzetten om manieren te onderzoeken om hun synthese te optimaliseren om hun kwaliteit te verbeteren, wat zou leiden tot betere prestaties van fotovoltaïsche apparaten. Onze studie richt zich op een bepaald type geconjugeerde polymeren, die de isoindigo-eenheid in de polymeerketen bevatten. De bevindingen tonen aan dat tussen de twee synthetische routes die worden toegepast voor de synthese van op isoindigo gebaseerde materialen, de Stille-reactie moet de voorkeur krijgen boven de Suzuki-reactie als laatste stap in de synthese, "Skoltech promovendus Marina Tepliakova legt uit.

Samen met Skoltech Provost Keith Stevenson en hun collega's van het RAS Institute for Problems of Chemical Physics, Marina Tepliakova synthetiseerde een geconjugeerd polymeer op basis van isoindigo, een isomeer van de bekende indigokleurstof. Het team gebruikte twee syntheseroutes die gewoonlijk worden gebruikt om op isoindigo gebaseerde polymeren te produceren:de Stille- en de Suzuki-polycondensatiereacties.

Geconjugeerde polymeren zijn organische materialen die gewoonlijk afwisselende donor- en acceptoreenheden in hun structuur bevatten, daarom worden ze ook wel D-A-D-A-D-materialen genoemd. De D- en A-eenheden, monomeren genoemd, zijn gekoppeld tot polymere ketens met behulp van verschillende polymerisatiereacties, die elk afhankelijk zijn van de monomeren die om te beginnen bepaalde aanvullende functionele groepen dragen. Voor polymeren die de isoindigo-eenheid als acceptorcomponent bevatten, er zijn twee synthetische routes beschikbaar, en de studie van het Skoltech-IPCP RAS-team onderzocht ze allebei.

Naast het hierboven genoemde functionele groepsonderscheid, de twee syntheseroutes zijn verschillend in termen van de vereiste reactieomstandigheden. Bijvoorbeeld, het Suzuki-polycondensatieproces vereist dat een anorganische base samen met de twee monomeren aanwezig is in het mengsel van niet-mengbare vloeistoffen:water en organisch oplosmiddel. Monomeeroverdracht tussen fasen wordt mogelijk gemaakt door speciale moleculen die bekend staan ​​​​als overdrachtkatalysatoren. De Stille-reactie vindt meestal plaats in één fase en bij verhoogde temperaturen. Aanvullend, beide reacties vereisen op palladium gebaseerde katalysatoren.

"Onze eerste observatie was dat de standaardomstandigheden van de Suzuki-reactie onverenigbaar waren met op isoindigo gebaseerde monomeersynthese, Marina Tepliakova merkte op. "Met behulp van hoogwaardige vloeistofchromatografie, we observeerden monomeersignaalontleding in drie verschillende signalen van sommige bijproducten met verschillende retentietijden onder de standaard Suzuki-omstandigheden. Dit betekende dat er onomkeerbare vernietiging van het op isoindigo gebaseerde monomeer plaatsvond. Dus hebben we de reactiecondities aangepast tot ze niet schadelijk waren voor het materiaal."

Na het aanpassen van de Suzuki-reactie, het team ging verder met het synthetiseren van het polymeer met behulp van beide routes. De resulterende materialen bleken vergelijkbare molecuulgewichten en opto-elektronische eigenschappen te hebben. Volgende, de onderzoekers testten de monsters in fotovoltaïsche apparaten:organische en perovskiet-zonnecellen. Het polymeer verkregen met behulp van de Stille-reactie vertoonde superieure prestaties met efficiënties van 15,1% en 4,1% in perovskiet en organische zonnecellen, respectievelijk; waarbij het van Suzuki afgeleide materiaal een efficiëntie van 12,6% en 2,7% oplevert.

Het team schreef het verschil in prestatie toe aan de aanwezigheid van zogenaamde ladingsvallen in het materiaal dat werd verkregen met behulp van de Suzuki-reactie. Deze veronderstelling werd bevestigd met behulp van een techniek genaamd elektronen-spinresonantie, waaruit bleek dat het materiaal verkregen via de Stille-route vijf keer minder defecten had.

Door de benadering van op isoindigo gebaseerde monomeersynthese aan te passen, de onderzoekers hebben een manier gevonden om hoogwaardig materiaal te produceren dat goed presteert in fotovoltaïsche cellen. In een vervolgexperiment het team synthetiseert nu meerdere materialen om te testen in perovskiet-zonnecellen. Die aanstaande studie zal duidelijk maken hoe de materiaalstructuur zich verhoudt tot de prestaties van het apparaat.