Le strutture chimiche del donatore di elettroni PBDB-T e dell'NFA fluorurato INPIC-4F; le caratteristiche J-V delle celle solari PBDB-T:INPIC-4F realizzate con diversi solventi; le immagini AFM delle superfici PBDB-T:INPIC-4F ottenute da CB e CB:CF. Credito:©Science China Press
Negli ultimi anni l'enorme progresso delle celle solari organiche (OSC) è stato esemplificato dall'uso di accettori di elettroni non fullerenici (NFA). Rispetto agli accettori derivati del fullerene, Gli NFA mostrano una moltitudine di vantaggi tra cui livelli di energia regolabili, ampio spettro di assorbimento e forte capacità di assorbimento della luce, così come un'elevata mobilità dei portatori. Per migliorare ulteriormente l'efficienza degli OSC non fullerenici, atomi di fluoro (F) o cloro (Cl) sono stati introdotti nella struttura chimica degli NFA come un approccio efficace per modulare i livelli di HOMO e LUMO. Con un piccolo raggio di Van der Waals e una grande elettronegatività, l'atomo F migliora la planarità molecolare e la tendenza all'aggregazione degli NFA, oltre ad aumentare la loro capacità di cristallizzazione.
Però, la tendenza degli NFA fluorurati ad auto-organizzarsi in cristalli di solito porta a un'eccessiva separazione di fase, che è stato scoperto aumentare la rugosità superficiale del film per aumentare la ricombinazione di carica all'interfaccia dell'elettrodo, e, cosa più importante, ridurre le interfacce di eterogiunzione di massa all'interno dello strato fotoattivo; effetti che portano tutti a una riduzione dell'efficienza energetica.
Molto recentemente, Il gruppo del professor Tao Wang alla Wuhan University of Technology ha dimostrato un approccio efficace per mettere a punto l'organizzazione molecolare di un NFA fluorurato (INPIC-4F), e la sua separazione di fase con il donatore PBDB-T, variando il solvente di colata (CB, CF e loro miscele). Quando un solvente ad alto punto di ebollizione CB è stato impiegato come solvente di colata, INPIC-4F ha formato cristalli lamellari che crescono ulteriormente in sferuliti su scala micron, risultando in un basso PCE di solo 8,1%. Quando è stato utilizzato il solvente a basso punto di ebollizione CF, la cristallizzazione di INPIC-4F è stata soppressa e l'ordine di struttura basso porta a un PCE moderato dell'11,4%. Utilizzando una miscela di solventi binari (CB:CF=1,5:1, v/v), l'efficienza degli OSC non fullerenici PBDB-T:INPIC-4F è stata migliorata al 13,1%. Questi risultati mostrano la grande promessa della strategia del solvente binario per controllare l'ordine molecolare e la morfologia su scala nanometrica per celle solari non fullerene ad alta efficienza.