I ricercatori di Skoltech e i loro colleghi hanno sintetizzato un nuovo polimero coniugato per l'elettronica organica utilizzando due diverse reazioni chimiche e hanno mostrato l'impatto dei due metodi sulle sue prestazioni nelle celle solari organiche e perovskite. Il documento è stato pubblicato sulla rivista Chimica e fisica macromolecolare .

Mentre il mondo cerca di passare all'energia pulita e rinnovabile, come l'energia solare, gli scienziati stanno lavorando per rendere le celle solari più efficienti nella produzione di elettricità. Tra gli approcci promettenti vi sono due tecnologie fotovoltaiche in rapido sviluppo con potenziale per la generazione di energia solare sostenibile a basso costo:celle solari organiche e celle solari perovskite ad alogenuri di piombo. Il loro principale vantaggio rispetto alle celle solari commerciali a base di silicio cristallino è il basso costo di deposito dello strato fotoattivo dalla soluzione. Rende la produzione di energia più economica, semplifica la scalabilità con le tecniche di stampa e la produzione roll-to-roll, e consente la fabbricazione del dispositivo su superfici flessibili ed estensibili.

Però, ci sono diversi ostacoli all'adozione diffusa di queste tecnologie. Per una cosa, l'efficienza delle celle solari organiche ha ancora molta strada da fare. Ciò richiederà la modifica della composizione del livello fotoattivo. Nelle celle solari organiche, la conversione da luce a energia avviene nello strato fotoattivo costituito da una miscela di materiali donatori e accettori:il donatore è solitamente un polimero coniugato.

Per quanto riguarda le celle solari a perovskite, hanno raggiunto una spettacolare efficienza record certificata del 25,5%, ma la stabilità a lungo termine rimane un problema. Ricerche recenti hanno dimostrato che la stabilità del dispositivo può essere migliorata coprendo il materiale di perovskite fotoattiva con uno strato di estrazione di carica che fornisce un incapsulamento efficiente. Tra gli altri materiali, questa funzione protettiva può essere assolta da polimeri coniugati, rendendo importante massimizzare la loro qualità migliorandone la sintesi.

"I polimeri coniugati hanno una varietà di importanti applicazioni, spingendoci a studiare modi per ottimizzare la loro sintesi per migliorarne la qualità, che porterebbe ad una migliore performance dei dispositivi fotovoltaici. Il nostro studio si concentra su un particolare tipo di polimeri coniugati, che contengono l'unità isoindaco nella catena polimerica. I risultati dimostrano che tra le due vie sintetiche applicate per la sintesi di materiali a base di isoindaco, la reazione di Stille dovrebbe essere data la preferenza alla reazione di Suzuki come fase finale della sintesi, "Spiega Marina Tepliakova, studentessa di dottorato di Skoltech.

Insieme al rettore di Skoltech Keith Stevenson e ai loro colleghi del RAS Institute for Problems of Chemical Physics, Marina Tepliakova ha sintetizzato un polimero coniugato a base di isoindigo, un isomero del noto colorante indaco. Il team ha impiegato due percorsi di sintesi comunemente usati per produrre polimeri a base di isoindaco:le reazioni di policondensazione di Stille e Suzuki.

I polimeri coniugati sono materiali organici che di solito contengono unità donatori e accettori alternati nella loro struttura, ecco perché vengono anche chiamati materiali D-A-D-A-D. Le unità D e A, chiamati monomeri, sono collegati in catene polimeriche mediante varie reazioni di polimerizzazione, ognuno dei quali si basa sui monomeri che portano alcuni gruppi funzionali aggiuntivi per cominciare. Per i polimeri che incorporano l'unità isoindigo come componente accettore, sono disponibili due percorsi sintetici, e lo studio del team Skoltech-IPCP RAS li ha esaminati entrambi.

Oltre alla distinzione del gruppo funzionale sopra menzionata, le due vie di sintesi sono differenti in termini di condizioni di reazione richieste. Per esempio, il processo di policondensazione Suzuki richiede che una base inorganica sia presente insieme ai due monomeri nella miscela di fluidi immiscibili:acqua e solvente organico. Il trasferimento di monomeri tra le fasi è reso possibile da speciali molecole note come catalizzatori di trasferimento. La reazione di Stille di solito avviene in una fase e a temperature elevate. Inoltre, entrambe le reazioni richiedono catalizzatori a base di palladio.

"La nostra prima osservazione è stata che le condizioni standard della reazione di Suzuki erano incompatibili con la sintesi dei monomeri a base di isoindaco, " Marina Tepliakova ha commentato. "Utilizzando la cromatografia liquida ad alte prestazioni, abbiamo osservato la decomposizione del segnale del monomero in tre distinti segnali di alcuni sottoprodotti con diversi tempi di ritenzione nelle condizioni standard di Suzuki. Ciò significava che stava avvenendo la distruzione irreversibile del monomero a base di isoindaco. Quindi abbiamo regolato le condizioni di reazione fino a quando non erano dannose per il materiale".

Dopo aver modificato la reazione Suzuki, il team ha continuato a sintetizzare il polimero utilizzando entrambi i percorsi. Si è scoperto che i materiali risultanti hanno pesi molecolari e proprietà optoelettroniche simili. Prossimo, i ricercatori hanno testato i campioni in dispositivi fotovoltaici:celle solari organiche e perovskite. Il polimero ottenuto utilizzando la reazione di Stille ha dimostrato prestazioni superiori con efficienze del 15,1% e del 4,1% in perovskite e celle solari organiche, rispettivamente; con il materiale di derivazione Suzuki che offre efficienze del 12,6% e del 2,7%.

Il team ha attribuito la differenza di prestazioni alla presenza delle cosiddette trappole di carica nel materiale ottenuto utilizzando la reazione di Suzuki. Questa ipotesi è stata confermata utilizzando una tecnica chiamata risonanza elettron-spin, che ha mostrato che il materiale ottenuto tramite il percorso di Stille aveva cinque volte meno difetti.

Regolando l'approccio alla sintesi dei monomeri a base di isoindaco, i ricercatori hanno trovato un modo per produrre materiale di alta qualità che si comporta bene nelle celle fotovoltaiche. In un esperimento successivo, il team sta ora sintetizzando più materiali da testare nelle celle solari di perovskite. Questo studio imminente chiarirà in che modo la struttura del materiale si riferisce alle prestazioni del dispositivo.