Verbetering van de efficiëntie van organische zonnecellen door middel van moleculaire engineering

Polymeerzonnecellen zijn lichtgewicht, flexibele zonnepanelen die kunnen worden gebruikt voor draagbare apparaten. Toxische gehalogeneerde verwerkingsolventen die tijdens de productie van deze zonnecellen worden gebruikt, hebben echter de wijdverbreide toepassing ervan beperkt.

Alternatieven voor gehalogeneerde procesoplosmiddelen zijn lang niet zo oplosbaar, waardoor hogere temperaturen en langere verwerkingstijden nodig zijn. Het vinden van een manier om de behoefte aan gehalogeneerde procesoplosmiddelen weg te nemen, zou de efficiëntie van organische zonnecellen kunnen verbeteren en polymere zonnecellen tot een haalbare optie voor draagbare apparaten kunnen maken.

In een artikel, gepubliceerd in Nano-onderzoeksenergie op 24 juli schetsen onderzoekers hoe het verbeteren van de moleculaire interacties tussen de polymeerdonoren en de kleine molecuulacceptoren met behulp van zijketentechniek de behoefte aan gehalogeneerde verwerkingsolventen kan verminderen.

“De mengmorfologie van polymeerdonoren en acceptoren van kleine moleculen wordt sterk beïnvloed door hun moleculaire interacties, die kunnen worden bepaald door grensvlakenergieën tussen de donor- en acceptormaterialen. Wanneer hun oppervlaktespanningswaarden vergelijkbaar zijn, worden de grensvlakenergieën en moleculaire interacties tussen de donoren en Er wordt verwacht dat de acceptanten gunstiger zullen zijn”, zegt Yun-Hi Kim, professor aan de Gyeongsang Nationale Universiteit in Jinju, Zuid-Korea.

“Om de hydrofiliciteit van de polymeerdonoren te verbeteren en moleculaire ontmenging te verminderen, kan zijketentechniek een plausibele weg zijn.”

Bij zijketentechniek wordt een chemische groep, een zijketen genoemd, toegevoegd aan de hoofdketen van een molecuul. De chemische groepen in de zijketen beïnvloeden de eigenschappen van het grotere molecuul.

Onderzoekers theoretiseerden dat het toevoegen van op oligoethyleenglycol (OEG) gebaseerde zijketens de hydrofiliciteit van de polymeerdonoren zou verbeteren dankzij de zuurstofatomen in de zijketens. Een molecuul met hydrofiliciteit wordt aangetrokken door water. Verschillen in de hydrofiliciteit van de polymeerdonoren en de acceptoren van kleine moleculen kunnen van invloed zijn op de manier waarop ze op elkaar inwerken.

Met een verhoogde hydrofiliciteit van de polymeerdonoren en verbeterde interacties tussen hen en de acceptoren van kleine moleculen, kunnen niet-gehalogeneerde procesoplosmiddelen worden gebruikt zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties van de zonnecel. Polymere zonnecellen gemaakt met op OEG gebaseerde zijketens gehecht aan een op benzodithiofeen gebaseerde polymeerdonor hadden zelfs een hogere energieomzettingsefficiëntie van 17,7% vergeleken met 15,6%.

Om de resultaten te vergelijken, ontwierpen onderzoekers op benzodithiofeen gebaseerde polymeerdonoren met een OEG-zijketen, koolwaterstofzijketens of zijketens die voor 50% uit koolwaterstoffen en 50% uit OEG bestonden.

“Dit verduidelijkte het effect van zijketentechniek op de morfologie en prestaties van niet-gehalogeneerde, met oplosmiddelen verwerkte polymere zonnecellen”, aldus Kim. “Onze bevindingen tonen aan dat polymeren met hydrofiele OEG-zijketens de mengbaarheid met acceptoren van kleine moleculen kunnen verbeteren en de energieomzettingsefficiëntie en apparaatstabiliteit van polymere zonnecellen tijdens niet-gehalogeneerde verwerking kunnen verbeteren.”

Naast een verbeterde energieomzettingsefficiëntie hadden de polymeerzonnecellen met de op OEG gebaseerde zijketens een verbeterde thermische stabiliteit. Thermische stabiliteit is essentieel voor het opschalen van polymere zonnecellen, dus verwarmden onderzoekers ze tot 120 ° Celsius en vergeleken vervolgens de efficiëntie van de energieconversie. Na 120 uur verwarmen hadden de polymeren met de koolwaterstofzijketens slechts 60% van hun aanvankelijke energieomzettingsefficiëntie en vertoonden ze onregelmatigheden op het oppervlak, terwijl het mengsel van koolwaterstof en OEG 84% van hun initiële energieomzettingsefficiëntie behield.

“Onze resultaten kunnen een nuttige richtlijn bieden voor het ontwerpen van polymeerdonoren die efficiënte en stabiele polymeerzonnecellen produceren met behulp van niet-gehalogeneerde oplosmiddelverwerking”, aldus Kim.

Andere bijdragen zijn onder meer Soodeok Seo, Jin Su Park en Bumjoon J. Kim van het Korea Advanced Institute of Science and Technology; Jun-Young Park en Do-Yeong Choi van de Nationale Universiteit van Gyeongsang; en Seungjin Lee van het Korea Research Institute of Chemical Technology.