Stel je technologie voor als een raceauto die over een circuit raast:hij kan alleen zo snel rijden als de motor toelaat. Maar net toen het leek alsof organische zonnecellen op een wegversperring stuitten, kwam 3PNIN, een baanbrekend molecuul in de vorm van een propeller, klaar om hun vooruitgang een boost te geven en barrières te doorbreken.

Organische zonnecellen (OSC's) vertegenwoordigen het toppunt van hernieuwbare energie, maar toch zijn bepaalde componenten aanzienlijk achterop geraakt in het traject van de voortdurende ontwikkeling. Met name kathode-interfacematerialen (CIM's) zijn er niet in geslaagd het momentum vast te houden dat nodig is om de voortdurende verbetering van OSC's te evenaren.

CIM's spelen een cruciale rol bij het faciliteren van stroomgeleiding van het metaal naar de halfgeleider en vice versa; Als ze dus tekortschieten in de prestaties van het elektronentransport, komt de energieconversie-efficiëntie (PCE) van OSC's in gevaar. Als reactie op deze uitdaging hebben onderzoekers onderzocht hoe de moleculaire structuur de algehele prestaties van zowel de cel als de interfacematerialen beïnvloedt.

Twee propellervormige verbindingen illustreren de aanzienlijke invloed die moleculaire configuratie kan uitoefenen op het verbeteren van de functionaliteit van CIM's en, bijgevolg, de fotovoltaïsche prestaties van OSC's.

Onderzoekers publiceerden hun resultaten in Nano Research .

De studie rapporteerde twee isomeren, 3PNIN en 3ONIN, dit zijn moleculen die dezelfde formule delen maar verschillende arrangementen van eindafgedekte groepen bezitten. Deze gevarieerde groepsarrangementen maken het mogelijk dat binnen het ene isomeer verschillende intermoleculaire interacties plaatsvinden die met het andere wellicht niet haalbaar zijn.

"In het uitgestrekte domein van hernieuwbare energie zijn OSC's een prominente plaats ingenomen, gekenmerkt door hun etherische architectuur, semi-transparantie, kosteneffectieve productie en schaalbare gedrukte assemblage, die een nieuw tijdperk inluiden in het aandrijven van flexibele draagbare technologieën", merkte prof. Minghua op. Huang, een auteur van het onderzoek.

Het belang van deze technologie in een wereld waarin duurzame energiebronnen aanzienlijke aantrekkingskracht (en noodzaak) hebben gekregen, kan niet genoeg worden benadrukt. Bij het testen van de propellervormige isomeren die in dit onderzoek worden gepresenteerd, bleek uit de resultaten dat de twee verbindingen enorm verschillende effecten kunnen uitoefenen op basis van hun configuratie, waarbij de ene variant beter presteert dan de andere wat betreft het verbeteren van de functionaliteit van CIM's.

3PNIN vertoont een vlakkere moleculaire structuur vergeleken met zijn tegenhanger, 3ONIN. Deze structurele ongelijkheid zorgt ervoor dat de eindafgedekte groepen in 3PNIN vlakker kunnen liggen ten opzichte van 3ONIN, waardoor significante verbeteringen in functionaliteit worden aangetoond, zoals elektronenmobiliteit en geleidbaarheid. "Als gevolg hiervan leveren 3PNIN- en 3ONIN-behandelde OSC-apparaten PCE's op van respectievelijk 17,73% en 16,82%", aldus Huang.

3PNIN vertoont een aanzienlijke belofte bij het vervaardigen van een thermisch stabiel apparaat en verbetert tegelijkertijd de PCE van OSC's, naast de voordelen van verbeterde mobiliteit en geleidbaarheid in vergelijking met de heersende technologie die op grote schaal wordt gebruikt voor CIM's. Verdere verfijning van OSC-apparaten behandeld met de 3PNIN-isomeer biedt het potentieel om de toegankelijkheid en efficiëntie van deze energiebron te verbeteren.

Verbeteringen in OSC's kunnen een wijdverbreide impact hebben op het landschap van hernieuwbare energie en kunnen zich uitstrekken tot andere gebieden van technologie die afhankelijk zijn van organische elektronica.

Meer informatie: Hao Liu et al, Propellervormige NI-isomeren van kathode-grensvlakmateriaal voor efficiënte organische zonnecellen, Nano Research (2024). DOI:10.1007/s12274-024-6482-z

Aangeboden door Tsinghua University Press