Organische/polymeer zonnecellen vormen de belangrijkste richting voor groene energie in de toekomst. Fullereen-elektronenacceptoren zijn op grote schaal gebruikt in organische / polymere zonnecellen en in perovskiet-zonnecellen. Een recente studie onthult dat de fotovoltaïsche prestaties kunnen worden beïnvloed door fullereen stereomeer, wat inhoudt dat het stereomere effect moet worden overwogen voor nieuwe fullereenderivaten die zijn ontworpen als elektronenacceptoren.

De krant werd gerapporteerd in Wetenschapsbulletin 2016(2) uitgave, getiteld "Stereomere effecten van bisPC ₇₁ BM op polymere zonnecelprestaties" en "Theoretisch inzicht in het stereometrische effect van bisPC ₇₁ BM over de prestaties van polymeercellen, " door Su-Yuan Xie en Yi Zhao et al van de Universiteit van Xiamen. De auteurs synthetiseerden en scheidden twee stereomeren van bisadduct-analogen van [6, 6]-fenyl-C ₇₁ -boterzuurmethylester (bisPC ₇₁ BM). Hoewel beide isomeren dezelfde spectrometrische en elektronische eigenschappen hebben, de onderzoekers vonden een fotovoltaïsche discrepantie. Ondersteund door zowel kristallografische als theoretische analyses, de stereomeer-afhankelijke fotovoltaïsche prestaties bleken het gevolg te zijn van een discrepantie in de moleculaire pakking.

Tot nu toe, fullereenderivaten [6, 6]-fenyl-C ₆₁ -boterzuurmethylester (PC ₆₁ BM) en zijn C70 analoge pc ₇₁ BM domineert nog steeds de fullereenacceptoren, die 20 jaar geleden zijn ontwikkeld. Door hun uitstekende eigenschappen, inclusief hoge elektronenmobiliteit, sterke lichtabsorptie, goede oplosbaarheid, hoge elektronenaffiniteit en goede compatibiliteit met donormaterialen, pc ₆₁ BM en PC ₇₁ BM zijn de beste tot nu toe gesynthetiseerde elektronenacceptoren. In de afgelopen 20 jaar, er zijn inspanningen geleverd om nieuwe elektronenacceptoren te ontwikkelen die superieur zijn aan PC ₆₁ BM/PC ₇₁ BM. Echter, het is moeilijk te realiseren. Het vereist een geschikte fullereenkern, waaraan de juiste functionele groepen zijn gekoppeld, en hangt af van het aantal toevoegingen en hun toevoegingspositie, enz. Hoewel onderzoekers nooit ophouden nieuwe fullereenacceptoren te synthetiseren volgens deze richtlijnen, en honderden fullereenacceptoren zijn gesynthetiseerd in de afgelopen 20 jaar, de fotovoltaïsche prestaties van deze fullereenacceptoren zijn nog steeds niet goed genoeg.

In principe, als onderzoekers deze factoren kunnen overwegen, het zou mogelijk kunnen zijn om fullereenacceptoren te verkrijgen met een specifieke fotovoltaïsche prestatie. Dus waarom zijn onderzoekers er niet in geslaagd betere fullerine-elektronenacceptoren te creëren? Zijn er nog andere factoren waarmee rekening moet worden gehouden?

Opgemerkt moet worden dat de gesynthetiseerde fullereenderivaten stereomeren hebben, zelfs bij het overwegen van richtlijnen als de fullereenkern, het type functionele groepen dat aan de fullereenkern is gehecht, en het aantal toevoegingen en hun toevoegingspositie. Hebben deze fullereen-stereomeren verschillende fotovoltaïsche prestaties? Om deze vraag te beantwoorden, de onderzoekers ontwierpen twee stereomeren van bisadduct-analogen van PC ₇₁ BM (bisPC ₇₁ BM) met cis- of transconfiguratie, die werden gebruikt als elektronenacceptoren in polymere zonnecellen. Ze toonden aan dat de twee stereomeren zeer vergelijkbare LUMO-energieniveaus en lichtabsorptie hebben, evenals andere eigenschappen.

Echter, polymere zonnecellen op basis van de twee stereomeren vertoonden verschillende fotovoltaïsche prestaties (vergeleken met cis-bisPC ₇₁ BM, de trans-bisPC ₇₁ BM heeft een efficiëntie van ongeveer 7 procent voor het verbeteren van de energieconversie-efficiëntie van polymere zonnecellen). Nader onderzoek toont aan dat het verschil in kristalverpakkingspatroon van bisPC ₇₁ BM-isomeren zijn de belangrijkste oorzaak van hun uiteenlopende fotovoltaïsche prestaties. Een theoretisch onderzoek onthult ook dat de moleculaire pakking van isomeren de elektronenmobiliteit en de efficiëntie van de excitondissociatie beïnvloedt. Dus, zowel experimenteel als theoretisch onderzoek tonen aan dat de stereometrische effecten van fullereenacceptoren een belangrijke invloed hebben op de prestaties van zonnecellen. Daarom, een nieuwe richtlijn voor het ontwerpen van efficiënte elektronenacceptoren werd voorgesteld.

De grootste moeilijkheid van dit experiment is de synthese en scheiding van bisPC ₇₁ BM stereomeren. De twee stereomeren werden gescheiden door een meertraps, high-performance vloeistofchromatografie (HPLC) techniek van 28 isomeren. De moleculaire structuren werden ondubbelzinnig bepaald door middel van X-ray monokristalanalyse om hun kristalstructuur en moleculaire pakking te bepalen. Bulk-heterojunctie zonnecellen met behulp van poly (3-hexylthiofeen) (P ₃ HT) als donor en bisPC ₇₁ BM-stereomeer als acceptor werd gefabriceerd en de fotovoltaïsche prestaties werden geëvalueerd om de stereomere effecten van bisPC te onderzoeken ₇₁ BM over de prestaties van polymere zonnecellen. Theoretisch onderzoek werd uitgevoerd via combinatiemethoden van elektronische structuurberekeningen en Marcus-theorie, met de nadruk op het gebruik van onafhankelijke structurele parameters om meetbare variabelen in experimenten te voorspellen.

Door theoretische berekeningsresultaten te vergelijken met experimentele gegevens, theoretisch onderzoek onthult het mechanisme achter de verschillende fotofysische processen veroorzaakt door stereomeren en stelt mogelijke manieren voor om de fotovoltaïsche prestaties verder te verbeteren. Daarom, de onderzoeker stelt een nieuwe richtlijn voor over de stereomere effecten van fullereenderivaat voor het ontwerpen van efficiënte elektronenacceptoren, die vollediger rekening houdt met de factoren die de fotovoltaïsche prestaties beïnvloeden. Het biedt ook nieuwe ideeën voor het ontwikkelen van uitstekende elektronenacceptoren met een hoge elektronenmobiliteit, sterke lichtabsorptie, goede oplosbaarheid, hoge elektronenaffiniteit en goede compatibiliteit met donormaterialen.