Los investigadores de Skoltech y sus colegas han sintetizado un nuevo polímero conjugado para electrónica orgánica utilizando dos reacciones químicas diferentes y han demostrado el impacto de los dos métodos en su rendimiento en células solares orgánicas y de perovskita. El artículo fue publicado en la revista Química y Física Macromolecular .

A medida que el mundo intenta hacer la transición a energías limpias y renovables, como la energía solar, los científicos están trabajando para hacer que las células solares sean más eficientes en la producción de electricidad. Entre los enfoques prometedores se encuentran dos tecnologías fotovoltaicas de rápido desarrollo con potencial para la generación de energía solar sostenible y económica:las células solares orgánicas y las células solares de perovskita de haluro de plomo. Su principal ventaja sobre las células solares comerciales basadas en silicio cristalino es el bajo coste de depositar la capa fotoactiva de la solución. Abarata la producción de energía, simplifica la ampliación con técnicas de impresión y fabricación de rollo a rollo, y permite la fabricación de dispositivos en superficies flexibles y extensibles.

Sin embargo, Existen varios obstáculos para la adopción generalizada de estas tecnologías. Por una cosa, la eficiencia de las células solares orgánicas aún tiene un largo camino por recorrer. Esto requerirá ajustar la composición de la capa fotoactiva. En células solares orgánicas, la conversión de luz en energía se produce en la capa fotoactiva que consta de una mezcla de materiales donantes y aceptores; el donante suele ser un polímero conjugado.

En cuanto a las células solares de perovskita, han alcanzado una espectacular eficiencia récord certificada del 25,5%, pero la estabilidad a largo plazo sigue siendo un problema. Investigaciones recientes han demostrado que la estabilidad del dispositivo se puede mejorar cubriendo el material de perovskita fotoactiva con una capa de extracción de carga que proporciona una encapsulación eficiente. Entre otros materiales, esta función protectora puede ser cumplida por polímeros conjugados, por lo que es importante maximizar su calidad mejorando su síntesis.

"Los polímeros conjugados tienen una variedad de aplicaciones importantes, lo que nos impulsa a investigar formas de optimizar su síntesis para mejorar su calidad, lo que conduciría a un mejor rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos. Nuestro estudio se centra en un tipo particular de polímeros conjugados, que contienen la unidad isoíndigo en la cadena del polímero. Los hallazgos demuestran que entre las dos vías sintéticas aplicadas para la síntesis de materiales basados ​​en isoíndigo, la reacción de Stille debe tener preferencia sobre la reacción de Suzuki como paso final en la síntesis, "La estudiante de doctorado de Skoltech, Marina Tepliakova, explicó.

Junto con Skoltech Provost Keith Stevenson y sus colegas del Instituto RAS para Problemas de Física Química, Marina Tepliakova sintetizó un polímero conjugado a base de isoíndigo, un isómero del conocido tinte índigo. El equipo empleó dos vías de síntesis comúnmente utilizadas para producir polímeros basados ​​en isoíndigo:las reacciones de policondensación de Stille y Suzuki.

Los polímeros conjugados son materiales orgánicos que generalmente contienen unidades donantes y aceptoras alternas en su estructura, por eso también se les conoce como materiales D-A-D-A-D. Las unidades D y A, llamados monómeros, están enlazados en cadenas poliméricas mediante diversas reacciones de polimerización, cada uno de los cuales se basa en los monómeros que llevan ciertos grupos funcionales adicionales para empezar. Para polímeros que incorporan la unidad isoíndigo como componente aceptor, hay dos rutas sintéticas disponibles, y el estudio del equipo Skoltech-IPCP RAS los examinó a ambos.

Además de la distinción de grupo funcional mencionada anteriormente, las dos rutas de síntesis son diferentes en términos de las condiciones de reacción requeridas. Por ejemplo, el proceso de policondensación de Suzuki requiere que esté presente una base inorgánica junto con los dos monómeros en la mezcla de fluidos inmiscibles:agua y disolvente orgánico. La transferencia de monómeros entre fases se realiza mediante moléculas especiales conocidas como catalizadores de transferencia. La reacción de Stille generalmente ocurre en una fase y a temperaturas elevadas. Adicionalmente, ambas reacciones requieren catalizadores a base de paladio.

"Nuestra primera observación fue que las condiciones estándar de la reacción de Suzuki eran incompatibles con la síntesis de monómeros basada en isoindigo, ", Comentó Marina Tepliakova." Utilizando cromatografía líquida de alta resolución, observamos la descomposición de la señal del monómero en tres señales distintas de algunos subproductos con diferentes tiempos de retención en las condiciones estándar de Suzuki. Esto significaba que se estaba produciendo una destrucción irreversible del monómero a base de isoíndigo. Así que ajustamos las condiciones de reacción hasta que no fueran dañinas para el material ".

Después de modificar la reacción de Suzuki, el equipo pasó a sintetizar el polímero utilizando ambas vías. Se encontró que los materiales resultantes tenían pesos moleculares y propiedades optoelectrónicas similares. Próximo, los investigadores probaron las muestras en dispositivos fotovoltaicos:células solares orgánicas y de perovskita. El polímero obtenido mediante la reacción de Stille demostró un rendimiento superior con eficiencias de 15,1% y 4,1% en perovskita y células solares orgánicas. respectivamente; con el material derivado de Suzuki que ofrece eficiencias del 12,6% y el 2,7%.

El equipo atribuyó la diferencia en el rendimiento a la presencia de las llamadas trampas de carga en el material obtenido mediante la reacción de Suzuki. Esta suposición se confirmó mediante una técnica llamada resonancia de espín electrónico, que mostró que el material obtenido a través de la vía Stille tenía cinco veces menos defectos.

Al ajustar el enfoque de la síntesis de monómeros basada en isoindigo, los investigadores han encontrado una forma de producir material de alta calidad que funciona bien en células fotovoltaicas. En un experimento de seguimiento, el equipo ahora está sintetizando múltiples materiales para ser probados en células solares de perovskita. Ese próximo estudio aclarará cómo la estructura del material se relaciona con el rendimiento del dispositivo.