Hướng dẫn thiết kế phân tử mới dẫn đến hiệu suất cải thiện của pin mặt trời hữu cơ
Đại học Osaka, hợp tác với Đại học Okayama, Đại học Kobe, Đại học Nagoya và các trường khác, đã chứng minh hướng dẫn thiết kế phân tử mới có thể làm giảm năng lượng liên kết exciton cản trở quá trình chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện trong pin mặt trời hữu cơ sử dụng chất bán dẫn hữu cơ trong lớp phát điện. Kết quả đã được công bố vào ngày 17 tháng 9.
Ngoài những ưu điểm như tính linh hoạt và trọng lượng nhẹ, pin mặt trời hữu cơ còn có các tính năng chức năng không có trong pin mặt trời vô cơ thông thường, chẳng hạn như khả năng sản xuất các thiết bị diện tích lớn bằng các quy trình in như cuộn sang cuộn.
Hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời hữu cơ phụ thuộc phần lớn vào hiệu suất mà chất bán dẫn hữu cơ tiếp nhận ánh sáng và tạo ra các electron và lỗ trống tự do, đây là nguồn của dòng điện. Vì chất bán dẫn hữu cơ có hằng số điện môi nhỏ hơn chất bán dẫn vô cơ như silicon, ngay cả khi chúng nhận được ánh sáng, các điện tích âm và dương vẫn liên kết chặt chẽ với nhau bằng lực hút Coulomb (năng lượng liên kết exciton), khiến quá trình chuyển đổi thành điện tích tự do khó diễn ra, đây là một trong những thách thức.
Vấn đề là lực hút Coulomb (năng lượng liên kết exciton) rất mạnh, khiến quá trình chuyển đổi thành điện tích tự do khó diễn ra.
(Nguồn: Đại học Osaka)
Vào tháng 8 năm 2024, nhóm nghiên cứu đã công bố rằng họ đã phát hiện ra rằng năng lượng liên kết exciton có thể giảm bằng cách kết hợp một thiết kế phân tử làm tăng hằng số điện môi tương đối của chất bán dẫn hữu cơ. Mặt khác, người ta hy vọng rằng năng lượng liên kết exciton cũng có thể giảm bằng cách tăng khoảng cách giữa các điện tích dương và âm ở trạng thái kích thích, nhưng vật liệu bán dẫn hữu cơ tập trung vào khoảng cách giữa các điện tích ở trạng thái kích thích vẫn chưa được phát triển.
Trong một phân tử bán dẫn hữu cơ nhận được ánh sáng và ở trạng thái kích thích, phân tử thường ở quỹ đạo năng lượng cao nhất (HOMO, Quỹ đạo chiếm chỗ cao nhất) trong số các quỹ đạo phân tử có electron chiếm giữ sẽ di chuyển đến quỹ đạo năng lượng thấp nhất (LUMO, Quỹ đạo không chiếm chỗ thấp nhất) trong số các quỹ đạo phân tử không có electron chiếm giữ. Trong nghiên cứu này, bằng cách thực hiện một thiết kế tách biệt sự sắp xếp không gian của HOMO (điện tích dương) và LUMO (điện tích âm) bên trong phân tử, phân tử bán dẫn hữu cơ "SpiroT-DCI" đã được phát triển, có năng lượng liên kết exciton nhỏ hơn so với các vật liệu thông thường.
Tổng quan về phân tử bán dẫn hữu cơ SpiroT-DCI
(Nguồn: Đại học Osaka)
Chúng tôi đã chế tạo các tế bào quang điện hữu cơ dị hợp khối bằng cách sử dụng SpiroT-DCI làm vật liệu nhận và chứng minh các đặc tính vượt trội của tế bào quang điện so với các vật liệu thông thường (ITIC) và các vật liệu so sánh (SpiroF-DCI), phản ánh năng lượng liên kết exciton nhỏ của nó. Hơn nữa, chúng tôi đã chế tạo một pin mặt trời sử dụng màng đơn thành phần SpiroT-DCI làm lớp phát điện và thấy rằng nó cho thấy hiệu suất lượng tử tối đa là 3,6% và nó cũng hoạt động như một pin mặt trời hữu cơ đơn thành phần, mặc dù hiệu suất chuyển đổi của nó thấp.
Hiệu suất pin mặt trời hữu cơ sử dụng SpiroT-DCI
(Nguồn: Đại học Osaka)
Kết quả của nghiên cứu này đã làm sáng tỏ một số tác động mà sự sắp xếp không gian của các orbital biên giới trong chất bán dẫn hữu cơ gây ra đối với năng lượng liên kết exciton và là nghiên cứu tiên phong đề xuất các hướng dẫn thiết kế vật liệu để giảm năng lượng liên kết exciton. Việc phát triển các vật liệu dựa trên kiến thức mới này dự kiến sẽ dẫn đến hiệu suất được cải thiện trong các pin mặt trời hữu cơ dị hợp khối và hiện thực hóa các pin mặt trời hữu cơ đơn thành phần. Các kết quả đã được công bố trên ấn bản trực tuyến nhanh của tạp chí Angewandte Chemie International Edition của Hiệp hội Hóa học Đức vào ngày 12 tháng 8.
