Le celle solari organiche/polimeriche rappresentano la direzione più importante per l'energia verde in futuro. Gli accettori di elettroni fullerene sono stati ampiamente utilizzati nelle celle solari organiche/polimeriche e nelle celle solari perovskite. Un recente studio rivela che le prestazioni fotovoltaiche possono essere influenzate dallo stereomero fullerene, implicando che l'effetto stereomerico dovrebbe essere considerato per nuovi derivati ​​fullerenici progettati come accettori di elettroni.

Il documento è stato riportato in Bollettino Scientifico 2016(2) problema, intitolato "Effetti stereomerici di bisPC ₇₁ BM sulle prestazioni delle celle solari polimeriche" e "Approfondimenti teorici sull'effetto stereometrico di bisPC ₇₁ BM sulle prestazioni delle celle polimeriche, " di Su-Yuan Xie e Yi Zhao et al dell'Università di Xiamen. Gli autori hanno sintetizzato e separato due stereomeri di analoghi del bisaddotto di [6, 6]-fenil-C ₇₁ -estere metilico dell'acido butirrico (bisPC ₇₁ B.M.). Sebbene entrambi gli isomeri abbiano le stesse proprietà spettrometriche ed elettroniche, i ricercatori hanno trovato una discrepanza nel fotovoltaico. Supportato da analisi cristallografiche e teoriche, si è scoperto che le prestazioni fotovoltaiche dipendenti dallo stereomero derivano da una discrepanza nell'impaccamento molecolare.

Fino ad ora, derivati ​​del fullerene [6, 6]-fenil-C ₆₁ -estere metilico dell'acido butirrico (PC ₆₁ BM) e il suo PC analogico C70 ₇₁ BM dominano ancora gli accettori di fullereni, che sono stati sviluppati 20 anni fa. Grazie alle loro eccellenti proprietà, compresa l'elevata mobilità degli elettroni, forte assorbimento della luce, buona solubilità, elevata affinità elettronica e buona compatibilità con i materiali donatori, PC ₆₁ BM e PC ₇₁ I BM sono i migliori accettori di elettroni sintetizzati finora. Negli ultimi 20 anni, sono stati fatti sforzi per sviluppare nuovi accettori di elettroni superiori al PC ₆₁ BM/PC ₇₁ BM. Però, è difficile da realizzare. Richiede un adeguato nucleo in fullerene, a cui sono collegati i gruppi funzionali corretti, e dipende dal numero di addendi e dalla loro posizione di addizione, ecc. Sebbene i ricercatori non smettano mai di sintetizzare nuovi accettori di fullereni secondo queste linee guida, e centinaia di accettori di fullereni sono stati sintetizzati negli ultimi 20 anni, le prestazioni fotovoltaiche di questi accettori di fullereni non sono ancora abbastanza buone.

In linea di principio, se i ricercatori possono considerare questi fattori, potrebbe essere possibile ottenere accettori di fullerene con una specifica prestazione fotovoltaica. Allora perché i ricercatori non sono riusciti a creare accettori di elettroni di fullerina migliori? Ci sono altri fattori che dovrebbero essere presi in considerazione?

Va notato che i derivati ​​fullerenici sintetizzati hanno stereomeri anche quando si considerano linee guida come il nucleo fullerenico, il tipo di gruppi funzionali attaccati al nucleo di fullerene, e il numero di addendi e la loro posizione di addizione. Questi stereomeri fullereni hanno prestazioni fotovoltaiche diverse? Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno progettato due stereomeri di analoghi del bisaddotto del PC ₇₁ BM (bisPC ₇₁ BM) con configurazione cis o trans, che sono stati usati come accettori di elettroni nelle celle solari polimeriche. Hanno dimostrato che i due stereomeri hanno livelli di energia LUMO e assorbimento della luce molto simili, nonché altre proprietà.

Però, le celle solari polimeriche basate sui due stereomeri hanno mostrato prestazioni fotovoltaiche diverse (rispetto a cis-bisPC ₇₁ BM, il trans-bisPC ₇₁ BM ha un'efficienza di circa il 7% per migliorare l'efficienza di conversione dell'energia delle celle solari polimeriche). Ulteriori indagini mostrano che la differenza nel modello di impacchettamento dei cristalli di bisPC ₇₁ Gli isomeri BM sono la causa principale delle loro prestazioni fotovoltaiche divergenti. Un'indagine teorica rivela anche che l'impaccamento molecolare degli isomeri influisce sulla mobilità degli elettroni e sull'efficienza di dissociazione degli eccitoni. Così, indagini sia sperimentali che teoriche dimostrano che gli effetti stereometrici degli accettori di fullerene hanno un impatto importante sulle prestazioni delle celle solari. Perciò, è stata proposta una nuova linea guida per la progettazione di accettori di elettroni efficienti.

La principale difficoltà di questo esperimento è la sintesi e la separazione di bisPC ₇₁ stereomeri BM. I due stereomeri sono stati separati da un multistadio, tecnica di cromatografia liquida ad alte prestazioni (HPLC) da 28 isomeri. Le strutture molecolari sono state determinate senza ambiguità dall'analisi di un singolo cristallo a raggi X per determinarne la struttura cristallina e l'imballaggio molecolare. Celle solari a eterogiunzione di massa che utilizzano poli (3-esiltiofene) (P ₃ HT) come donatore e bisPC ₇₁ Sono stati fabbricati stereomeri BM come accettori e sono state valutate le prestazioni fotovoltaiche per studiare gli effetti stereomerici di bisPC ₇₁ BM sulle prestazioni delle celle solari polimeriche. L'indagine teorica è stata eseguita tramite metodi combinati di calcoli della struttura elettronica e teoria di Marcus, con enfasi sull'impiego di parametri strutturali indipendenti per prevedere variabili misurabili nell'esperimento.

Confrontando i risultati dei calcoli teorici con i dati sperimentali, l'indagine teorica rivela il meccanismo alla base dei diversi processi fotofisici causati dagli stereomeri e propone possibili modi per migliorare ulteriormente le prestazioni fotovoltaiche. Perciò, il ricercatore propone una nuova linea guida sugli effetti stereomerici del derivato del fullerene per la progettazione di accettori di elettroni efficienti, che tiene maggiormente conto dei fattori che influenzano le prestazioni fotovoltaiche. Fornisce inoltre nuove idee per lo sviluppo di eccellenti accettori di elettroni con elevata mobilità degli elettroni, forte assorbimento della luce, buona solubilità, elevata affinità elettronica e buona compatibilità con i materiali donatori.