Las células solares orgánicas / poliméricas representan la dirección más importante para la energía verde en el futuro. Los aceptores de electrones de fullereno se han utilizado ampliamente en células solares orgánicas / poliméricas, así como en células solares de perovskita. Un estudio reciente revela que el rendimiento fotovoltaico puede verse influenciado por el estereómero de fullereno, lo que implica que el efecto estereomérico debe considerarse para nuevos derivados de fullereno diseñados como aceptores de electrones.

El documento fue reportado en Boletín de ciencia Edición de 2016 (2), titulado "Efectos estereoméricos de bisPC ₇₁ BM sobre el rendimiento de las células solares de polímero "y" Perspectiva teórica sobre el efecto estereométrico de bisPC ₇₁ BM sobre el rendimiento de la celda de polímero, "por Su-Yuan Xie y Yi Zhao et al de la Universidad de Xiamen. Los autores sintetizaron y separaron dos estereómeros de análogos bisadductos de [6, 6] -fenil-C ₇₁ -ester metílico del ácido butírico (bisPC ₇₁ BM). Aunque ambos isómeros tienen las mismas propiedades espectrométricas y electrónicas, los investigadores encontraron una discrepancia fotovoltaica. Apoyado por análisis cristalográficos y teóricos, Se reveló que el rendimiento fotovoltaico dependiente de estereómeros es el resultado de una discrepancia de empaquetamiento molecular.

Hasta ahora, derivados de fullereno [6, 6] -fenil-C ₆₁ -ester metílico del ácido butírico (PC ₆₁ BM) y su PC analógica C70 ₇₁ BM todavía domina a los aceptadores de fullereno, que se desarrollaron hace 20 años. Por sus excelentes propiedades, incluyendo alta movilidad de electrones, fuerte absorción de luz, buena solubilidad, alta afinidad electrónica y buena compatibilidad con materiales donantes, ordenador personal ₆₁ BM y PC ₇₁ Los BM son los mejores aceptores de electrones sintetizados hasta ahora. En los últimos 20 años, Se han hecho esfuerzos para desarrollar nuevos aceptores de electrones superiores a los de PC. ₆₁ BM / PC ₇₁ BM. Sin embargo, es difícil de lograr. Requiere un núcleo de fullereno adecuado, al que se adjuntan los grupos funcionales correctos, y depende del número de sumandos y su posición de adición, etc. Aunque los investigadores nunca dejan de sintetizar nuevos aceptores de fullereno de acuerdo con estas pautas, y se han sintetizado cientos de aceptores de fullereno en los últimos 20 años, el rendimiento fotovoltaico de estos aceptores de fullereno todavía no es lo suficientemente bueno.

En principio, si los investigadores pueden considerar estos factores, podría ser posible obtener aceptores de fullereno con un rendimiento fotovoltaico específico. Entonces, ¿por qué los investigadores no han logrado crear mejores aceptores de electrones de fullerina? ¿Hay otros factores que deberían tenerse en cuenta?

Cabe señalar que los derivados de fullereno sintetizados tienen estereómeros incluso cuando se consideran pautas como el núcleo de fullereno, el tipo de grupos funcionales unidos al núcleo de fullereno, y el número de sumandos y su posición de adición. ¿Estos estereómeros de fullereno tienen un rendimiento fotovoltaico diferente? Para abordar esta pregunta, los investigadores diseñaron dos estereómeros de análogos bisadductos de PC ₇₁ BM (bisPC ₇₁ BM) con configuración cis o trans, que se utilizaron como aceptores de electrones en células solares de polímero. Demostraron que los dos estereómeros tienen niveles de energía LUMO y absorción de luz muy similares, así como otras propiedades.

Sin embargo, Las células solares de polímero basadas en los dos estereómeros exhibieron un rendimiento fotovoltaico diferente (en comparación con cis-bisPC ₇₁ BM, el trans-bisPC ₇₁ BM tiene una eficiencia de aproximadamente el 7 por ciento para mejorar la eficiencia de conversión de energía de las células solares de polímero). Una investigación adicional muestra que la diferencia en el patrón de empaquetamiento de cristales de bisPC ₇₁ Los isómeros BM son la principal causa de su divergente rendimiento fotovoltaico. Una investigación teórica también revela que el empaquetamiento molecular de isómeros afecta la movilidad de los electrones y la eficiencia de disociación del excitón. Por lo tanto, Tanto las investigaciones experimentales como las teóricas demuestran que los efectos estereométricos de los aceptores de fullereno tienen un impacto importante en el rendimiento de las células solares. Por lo tanto, Se propuso una nueva directriz para diseñar aceptores de electrones eficientes.

La principal dificultad de este experimento es la síntesis y separación de bisPC ₇₁ Estereómeros BM. Los dos estereómeros estaban separados por una etapa múltiple, Técnica de cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) a partir de 28 isómeros. Las estructuras moleculares se determinaron sin ambigüedades mediante análisis de monocristales de rayos X para determinar su estructura cristalina y empaquetamiento molecular. Células solares de heterounión a granel que utilizan poli (3-hexiltiofeno) (P ₃ HT) como donante y bisPC ₇₁ Se fabricó el estereómero BM como aceptor y se evaluó el rendimiento fotovoltaico para investigar los efectos estereoméricos de bisPC. ₇₁ BM sobre el rendimiento de las células solares de polímero. La investigación teórica se realizó mediante métodos combinados de cálculos de estructura electrónica y teoría de Marcus, con énfasis en el empleo de parámetros estructurales independientes para predecir variables mensurables en el experimento.

Comparando los resultados de los cálculos teóricos con los datos experimentales, La investigación teórica revela el mecanismo detrás de los diferentes procesos fotofísicos provocados por los estereómeros y propone posibles formas de mejorar aún más el rendimiento fotovoltaico. Por lo tanto, el investigador propone una nueva directriz sobre los efectos estereoméricos del derivado de fullereno para diseñar aceptores de electrones eficientes, que da cuenta de manera más completa de los factores que afectan el rendimiento fotovoltaico. También proporciona nuevas ideas para desarrollar excelentes aceptores de electrones con alta movilidad de electrones, fuerte absorción de luz, buena solubilidad, alta afinidad electrónica y buena compatibilidad con materiales donantes.