ベンゾチオフェンによる構造修飾による高効率太陽光発電パラメータの初の理論的枠組み

Scientific Reports volume 12、記事番号: 20148 (2022) この記事を引用

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現在、研究者たちは、現代のハイテクオプトエレクトロニクス用途における太陽電池材料の役割を高めることを目的として、太陽電池ベースのデバイスの性能を向上させる努力を続けています。 世界中の最近のエネルギー状況を認識し、有機太陽電池 (OSC) における電子受容体部分の顕著な貢献を考慮して、研究はこの時代にフラーレンから非フラーレン電子受容体部分に方向転換されています。 したがって、エンドキャップされたユニットに異なるアクセプターを使用して構造を調整することにより、DOC2C6-2F から 7 つの新規な非フラーレン縮合環電子アクセプター発色団 (MD2-MD8) を設計しました。 新たに調整された発色団の光電子特性を発見するために、B3LYP Functional で DFT 研究が実行されました。 MD2 の光電応答を理解するために、フロンティア分子軌道 (FMO)、遷移密度行列 (TDM)、状態密度 (DOS)、結合エネルギー (Eb)、再組織化エネルギー、開路電圧 (Voc) などのさまざまな解析が実行されました。 –MD8。 誘導体では、MR1 と比較して、より広い吸収スペクトル (クロロホルム中 725.690 ～ 939.844 nm) によるバンドギャップ (1.940 ～ 1.571 eV) の減少と、HOMO から LUMO へのより大きな電荷移動速度が調べられました (Egap = 1.976 eV、λmax = 738.221 nm)。 ) MD7 を除く。 さらに、すべての導関数において、参照値 (0.296 eV) よりも小さい Eb 値 (0.252 ～ 0.279 eV) が調べられました。 MD2 ～ MD8 のこれらの低い結合エネルギー値は、MR1 よりも大きな電荷移動速度による励起解離速度が高いことを示しており、これは DOS および TDM 解析によってさらに裏付けられました。 さらに、前述の化合物における正孔と電子の最小再構成エネルギーも調べた。 さらに、Voc はすべての研究化合物で良好な光起電力応答が認められ、これらの化合物が将来 OSC を合成するのに適していることを示しました。

OSC の技術は、アーキテクチャ、処理技術、半導体材料の点で進歩しています1、2。 化石燃料に代わる持続可能かつクリーンな電池として将来有望な太陽電池は、有機太陽電池（OSC）です。 この太陽光発電技術は、製造における大きな利点、軽量、柔軟性、低価格により、数十年にわたって産業界および学術界の注目を集めてきました3。 現在のシナリオでは、太陽光を電気エネルギーに変換する最も有望なアプローチは、光電効果を利用した太陽電池によるものです。 以前は、シリコンは、より高い電力変換効率 (PCE)、熱安定性、およびアクセスの容易さにより、太陽電池の効率的な半導体材料と考えられていました。 最近では、高コスト、脆性、固定エネルギーレベルなどの特定の要因により、シリコンベースの太陽電池でのシリコンの利用は制限されています4。 最近、バルクヘテロ接合 (BHJ)5 OSC は、柔軟性、半透明、調整可能なエネルギーレベル、経済性、商業用途の可能性などの優れた特性により、世界的なグリーンエネルギー源の魅力的な候補として浮上しています6。 OSC は、バックボーンを介して互いに直接結合するドナー分子とアクセプター分子の混合物を持っています。 フラーレン受容体を有する OSC は、PCE の向上、電荷移動度の向上などの魅力的な資産を備えています7。 これらの利点にもかかわらず、フラーレンアクセプターには、その使用を制限する特定の制限があることが判明しています8。 このようなフラーレン誘導体の欠点を克服するために、アクセプター - ドナー - アクセプター (A-D-A) 骨格を持つ非フラーレン アクセプター (NFA)9 材料が大きな注目を集めています10。 A-D-A の多様性は、広く効率的な吸収帯域や調整可能なエネルギー レベルなどのユニークな特性により、特別な関心を集めています 11。 A-D-A の組み合わせは、化学結合を介して 2 つの側方電子欠損エンドキャップアクセプターと結合した中央ドナーコアユニットで構成されます。 HOMO-LUMO バンドギャップを狭めることは、非フラーレンベースの OSC の PCE および光起電力特性を強化する最も効果的な戦略であることが証明されています。 これは、適切な電子供与体と部品を引き出すことによってうまく実現できます13。