نقش برم در تقویت گیرنده های پلیمری

نقش کنترل دقیق موقعیت برم در گروه انتهایی در تقویت گیرنده های پلیمری منظم در سلول های خورشیدی تمام پلیمری با راندمان بالای 15 درصد

پیشرفت‌های اخیر در توسعه گیرنده‌های مولکولی کوچک (SMA) پلیمریزه شده نوع A-D-A راندمان تبدیل توان (PCE) در سلول های خورشیدی تمام پلیمری (all-PSC) بیش از 13 درصد را ارتقا داده است. با این حال، مونومر SMA معمولاً از ترکیب سه ایزومر به دلیل گروه‌های انتهایی برمیده ایزومری (IC-Br(in) و IC-Br(out)) تشکیل شده است. در این بررسی، دو گروه انتهایی ایزومر با موفقیت از هم جدا شدند؛ موضوع منطقه ایزومری حل شد و سه گیرنده پلیمری به نام‌های PY-IT، PY-OT و PY-IOT ارتقا یافتند به طوری که در آن PY-IOT یک ترپلیمر تصادفی با نسبت یکسان دو گیرنده است. نکته جالب توجه این است که در PY-OT و PY-IOT در مقایسه با PY-IT، لبه جذب به تدریج دچار ردشیفت شده و تحرک الکترون به تدریج افزایش می یابد. محاسبه تئوری نشان می دهد که LUMO ها در کل ستون فقرات مولکولی PY-IT پراکنده شده اند و به انتقال الکترون افزایش یافته کمک می کنند. در نتیجه، سیستم PM6:PY-IT به PCE عالی با راندمان 15.05 درصد ست می یابد که به طور قابل توجهی بالاتر از PY-OT (10.04 درصد) و PY-IOT (12.12 درصد) است. خواص مورفولوژیکی و ویژگی های دستگاه نشان می دهد که بالاترین PCE برای دستگاه مبتنی بر PY-IT از جذب افزایش یافته، انتقال بار متعادل تر و مورفولوژی مطلوب ناشی می‌شود. این مقاله نشان می دهد سایت پلیمریزاسیون SMA به شدت عملکرد دستگاه را تحت تاثیر قرار داده و توسعه گیرنده های پلیمری کارآمد برای all-PSC ها را بیان می کند.

سلول های خورشیدی (PSC) در سال‌های اخیر به دلیل برخورداری از خواصی همچون وزن سبک، انعطاف پذیری، نیمه شفافیت و ساخت کم هزینه در تولید انبوه توجه تحقیقاتی زیادی را به خود جلب کرده اند. با بهره مندی از ظهور گیرنده های مولکول کوچک (SMA) نوع گیرنده-دهنده-گیرنده (A-D-A)، PSC های مبتنی بر اهداکنندگان پلیمر و SMA های نوع A-D-A به راندمان تبدیل توان (PCE) بیش از 17 درصد رسیدند. بر خلاف های PSC های مبتنی بر SMA، سلول های خورشیدی تمام پلیمری (all-PSC) حاوی لایه های فتواکتیو که از اهداکنندگان و پذیرنده های پلیمری تشکیل شده اند، نشان دهنده خواص منحصر به فردی مانند پایداری حرارتی و مورفولوژیکی فوق العاده، قابلیت کشسانی عالی و دوام مکانیکی هستند. با این حال، PSC های مبتنی بر SMA بر PCE ها در all-PSC ها برتری دارند که عمدتا به دلیل کمبود پذیرنده های پلیمری با راندمان بالا است. مشکل اساسی در توسعه پذیرنده های پلیمری، کمبود بلوک‌های ساختاری با کمبود الکترون موثر است. رایج ترین بلوک های ساختمانی با کمبود الکترون تا قبل از 2017 شامل پریلن دی ایمید (PDI)، نفتالین دی ایمید (NDI)، بیتیوفن ایمید (BTI) و بی پیریدین B-N (BN-Py) هستند. با این حال، پذیرندگان پلیمری بر اساس این واحدهای دارای کمبود الکترون کم و بیش دارای عیوبی مانند شدت جذب ضعیف در گیرنده های پلیمری مبتنی بر PDI، NDI و BTI، و تحرک کم الکترون در گیرنده های پلیمری مبتنی بر BN-Py و محدودیت عملکرد آنها در دستگاه های PSC هستند. لی و ژانگ و همکارانش در سال 2017، از استراتژی "پلیمریزاسیون SMA" برای بهبود شکاف جزئی گیرنده پلیمری، PZI، استفاده کردند که به طور همزمان از تحرک و ضرایب جذب بالایی برخوردار است که منجر به ایجاد all-PSC با 9.19 درصد PCE می شود. مجموعه ای از SMA های پلیمریزه شده با کارایی بالا از طریق غربالگری واحدهای کوپلیمریزاسیون مانند تیوفن، بنزودیتیوفن، دیتین سیلول، یا دستکاری هسته مرکزی SMA ها ارتقا یافتند.

علیرغم پیشرفت قابل ملاحظه در SMA های پلیمریزه شده، همچنان چالش مهمی در رابطه با عملکرد و قوام پذیرنده های پلیمری وجود دارد که بایستی به بررسی آن پرداخت: مسئله منطقه ایزومری 1،1-دی سیانوماتیلن-3-ایندانون برم دار (IC-Br) است که در آن IC پرکاربردترین واحد پایانه در SMA های پلیمریزه شده پیشرفته محسوب می شود. همچنین به عنوان مخلوطی از دو ایزومر با قطبیت مشابه شناخته می شود که جدا کردن آنها دشوار است. در نتیجه، SMA ها با IC-Br به عنوان واحدهای پایانی، مخلوطی از سه ایزومر هستند که به شدت روی تکرارپذیری دسته به دسته SMA های پلیمریزه شده تأثیر گذاشته و باعث بروز تفاوت در خواص فیزیکوشیمیایی و مورفولوژیکی در دسته های مختلف مواد، و در نهایت، انحراف زیاد در بازدهی all-PSC ها می شود. علاوه براین، قبلا گزارشاتی ارائه شد از اینکه SMA های خالص به دلیل بهبود در مورفولوژی و انتقال بار عملکرد دستگاه بهتری نسبت به مخلوط ایزومرها دارند که ما را به توسعه SMA های برمدار خالص در پذیرنده پلیمر و all-PSC ترغیب می کند. در اینجا، همانطور که در بخش الف از شکل زیر مشخص شده است، دو واحد پایانه تک برمینه، یعنی IC-Br (in) و IC-Br (out) ("in" و "out" نشان می دهند که گروه های برم و کربونیل به ترتیب در طرف مشابه و متضاد قرار دارند) نشان می دهد که از IC-Br با تبلور مجدد حلال های مختلف ارتقا یافته اند.

شکل 1:

پس از آن، دو SMA برم دار با ساختارهای مولکولی مشخص سنتز شدند که ستون فقرات آنها مشابه با Y5 و SMA کارآمد است. در نهایت، با توجه به بخش ب از همین شکل، دو پذیرنده پلیمری به نام های PY-IT و PY-OT با سایت های پلیمریزاسیون مختلف از طریق پلی تراکم کوپلینگ Stille معمولی به دست آمد. برای بررسی تأثیر ایزومرهای مخلوط بر خواص فتوالکتریک و عملکرد فتوولتائیک، پلیمر PY-IOT را با استراتژی کوپلیمریزاسیون سه تایی تصادفی با دو پذیرنده در یک نسبت توسعه دادیم. جالب اینکه، از PY-OT و PY-IOT تا PY-IT، لبه های جذب به تدریج ردشیفت را کاهش دادند و پایین ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده (LUMO) نیز کاهش یافته و تحرک الکترون به طور پیوسته افزایش می یابد. در نتیجه، بهترین دستگاه all-PSC مبتنی بر PM6:PY-IT نشان دهنده PCE با 15.05 درصد و چگالی جریان اتصال کوتاه (jsc) 22.30 میلی آمپر و فاکتور پر کردن (FF) 0.723 است که به طور قابل توجهی بالاتر از دستگاه های مبتنی بر PY-OT و PY-IOT است. jsc و FF بالاتر در دستگاه های مبتنی بر PY-IT عمدتاً با تحرک بار بالاتر، انتقال بار متعادل تر و مورفولوژی ترکیب مطلوب تر با اندازه دامنه مناسب شناخته می شوند. در این مقاله، به بیان این نکته می پردازیم که خالص سازی SMA های تک برمی A-D-A یک روش مناسب برای توسعه پذیرنده های پلیمری با عملکرد بالا در all-PSC کارآمد است.