Les cellules solaires organiques/polymères représentent la direction la plus importante pour l'énergie verte à l'avenir. Les accepteurs d'électrons fullerènes ont été largement utilisés dans les cellules solaires organiques/polymères ainsi que dans les cellules solaires à pérovskite. Une étude récente révèle que les performances photovoltaïques peuvent être influencées par le stéréomère du fullerène, ce qui implique que l'effet stéréomérique doit être pris en compte pour les nouveaux dérivés de fullerène conçus comme accepteurs d'électrons.

Le document a été rapporté dans Bulletin scientifique édition 2016(2), intitulé "Effets stéréomériques de bisPC 71 BM sur les performances des cellules solaires polymères" et "Aperçu théorique de l'effet stéréométrique du bisPC 71 BM sur les performances des cellules polymères, " par Su-Yuan Xie et Yi Zhao et al de l'Université de Xiamen. Les auteurs ont synthétisé et séparé deux stéréomères d'analogues bisadduits de [6, 6]-phényl-C 71 -ester méthylique d'acide butyrique (bisPC 71 BM). Bien que les deux isomères aient les mêmes propriétés spectrométriques et électroniques, les chercheurs ont trouvé un écart photovoltaïque. Appuyé par des analyses cristallographiques et théoriques, la performance photovoltaïque dépendante du stéréomère s'est révélée être le résultat d'un écart de tassement moléculaire.

Jusqu'à maintenant, dérivés de fullerène [6, 6]-phényl-C 61 -ester méthylique d'acide butyrique (PC 61 BM) et son PC analogique C70 71 BM domine toujours les accepteurs de fullerène, qui ont été développés il y a 20 ans. En raison de leurs excellentes propriétés, y compris une mobilité électronique élevée, forte absorption lumineuse, bonne solubilité, affinité électronique élevée et bonne compatibilité avec les matériaux donneurs, ordinateur 61 BM et PC 71 Les BM sont les meilleurs accepteurs d'électrons synthétisés à ce jour. Au cours des 20 dernières années, des efforts ont été faits pour développer de nouveaux accepteurs d'électrons supérieurs au PC 61 BM/PC 71 BM. Cependant, c'est difficile à réaliser. Il nécessite un noyau de fullerène approprié, auxquels sont attachés les groupes fonctionnels corrects, et dépend du nombre d'additions et de leur position d'addition, etc. Bien que les chercheurs ne cessent jamais de synthétiser de nouveaux accepteurs de fullerène selon ces directives, et des centaines d'accepteurs de fullerène ont été synthétisés au cours des 20 dernières années, les performances photovoltaïques de ces accepteurs de fullerènes sont encore insuffisantes.

En principe, si les chercheurs peuvent tenir compte de ces facteurs, il pourrait être possible d'obtenir des accepteurs de fullerène avec des performances photovoltaïques spécifiques. Alors pourquoi les chercheurs n'ont-ils pas réussi à créer de meilleurs accepteurs d'électrons de fullerine ? Y a-t-il d'autres facteurs à prendre en considération?

Il convient de noter que les dérivés de fullerène synthétisés ont des stéréomères même en considérant des lignes directrices telles que le noyau de fullerène, le type de groupes fonctionnels attachés au noyau fullerène, et le nombre d'additions et leur position d'addition. Ces stéréomères de fullerène ont-ils des performances photovoltaïques différentes ? Pour répondre à cette question, les chercheurs ont conçu deux stéréomères d'analogues bisadduits de PC 71 BM (bisPC 71 BM) en configuration cis ou trans, qui ont été utilisés comme accepteurs d'électrons dans les cellules solaires polymères. Ils ont démontré que les deux stéréomères ont des niveaux d'énergie LUMO et une absorption de la lumière très similaires, ainsi que d'autres propriétés.

Cependant, les cellules solaires polymères basées sur les deux stéréomères ont présenté des performances photovoltaïques différentes (par rapport à cis-bisPC 71 BM, le trans-bisPC 71 BM a une efficacité d'environ 7 pour cent pour améliorer l'efficacité de conversion de puissance des cellules solaires polymères). Une enquête plus approfondie montre que la différence dans le modèle d'emballage cristallin de bisPC 71 Les isomères BM sont la principale cause de leurs performances photovoltaïques divergentes. Une étude théorique révèle également que le tassement moléculaire des isomères affecte la mobilité des électrons et l'efficacité de la dissociation des excitons. Ainsi, des études expérimentales et théoriques démontrent que les effets stéréométriques des accepteurs de fullerène ont un impact important sur les performances des cellules solaires. Par conséquent, une nouvelle ligne directrice pour la conception d'accepteurs d'électrons efficaces a été proposée.

La principale difficulté de cette expérience est la synthèse et la séparation de bisPC 71 Stéréomères BM. Les deux stéréomères ont été séparés par un multi-étage, technique de chromatographie liquide à haute performance (HPLC) à partir de 28 isomères. Les structures moléculaires ont été déterminées sans ambiguïté par analyse monocristalline aux rayons X afin de déterminer leur structure cristalline et leur tassement moléculaire. Cellules solaires à hétérojonction en vrac utilisant du poly (3-hexylthiophène) (P 3 HT) en tant que donneur et bisPC 71 Le stéréomère BM en tant qu'accepteur a été fabriqué et les performances photovoltaïques ont été évaluées pour étudier les effets stéréomères du bisPC 71 BM sur les performances des cellules solaires polymères. L'investigation théorique a été réalisée via des méthodes combinées de calculs de structure électronique et de théorie de Marcus, en mettant l'accent sur l'utilisation de paramètres structurels indépendants pour prédire des variables mesurables dans l'expérience.

En comparant les résultats des calculs théoriques aux données expérimentales, l'enquête théorique révèle le mécanisme derrière les différents processus photophysiques causés par les stéréomères et propose des moyens possibles d'améliorer encore les performances photovoltaïques. Par conséquent, le chercheur propose une nouvelle ligne directrice sur les effets stéréomériques du dérivé du fullerène pour la conception d'accepteurs d'électrons efficaces, ce qui rend mieux compte des facteurs qui affectent les performances photovoltaïques. Il fournit également de nouvelles idées pour développer d'excellents accepteurs d'électrons à haute mobilité électronique, forte absorption lumineuse, bonne solubilité, affinité électronique élevée et bonne compatibilité avec les matériaux donneurs.