벤조티오펜을 이용한 구조적 변형을 통한 고효율 광전지 매개변수에 대한 최초의 이론적 틀

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 20148(2022) 이 기사 인용

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요즘 연구자들은 현대 하이테크 광전자 응용 분야에서 광전지 재료의 역할을 늘리려는 목표로 태양광 기반 장치의 성능을 업그레이드하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 전 세계의 최근 에너지 상황을 인식하여 이 시대의 연구는 유기 태양 전지(OSC)에 대한 놀라운 기여를 고려하여 풀러렌에서 비풀러렌 전자 수용체 부분으로 전환됩니다. 따라서 우리는 엔드 캡핑된 단위에서 서로 다른 수용체를 사용한 구조적 조정을 통해 DOC2C6-2F에서 7개의 새로운 비풀러렌 융합 고리 전자 수용체 발색단(MD2-MD8)을 설계했습니다. 새로 맞춤형 발색단의 광전자 특성을 발견하기 위해 B3LYP 기능에서 DFT 연구를 수행했습니다. MD2의 광전지 반응을 이해하기 위해 FMO(Frontier Molecular Orbital), TDM(Transition Density Matrix), 상태 밀도(DOS), 결합 에너지(Eb), 재구성 에너지, 개방 회로 전압(Voc) 등 다양한 분석을 수행했습니다. -MD8. HOMO에서 LUMO를 향한 더 큰 전하 이동 속도와 함께 더 넓은 흡수 스펙트럼(클로로포름에서 725.690-939.844nm)을 갖는 밴드 갭(1.940-1.571eV)의 감소가 MR1(Egap = 1.976eV, λmax = 738.221nm)과 비교하여 파생물에서 검사되었습니다. ) MD7은 제외. 또한 모든 파생 항목에서 기준 값(0.296 eV)보다 더 작은 Eb 값(0.252–0.279 eV)이 검사되었습니다. MD2-MD8의 이러한 낮은 결합 에너지 값은 MR1보다 큰 충전기 전송 속도로 더 높은 여기 해리 속도를 나타냈으며 이는 DOS 및 TDM 분석에서 추가로 지원됩니다. 또한, 전자를 갖는 정공에 대한 상기 화합물의 최소 재구성 에너지도 조사되었다. 더욱이 Voc는 연구된 모든 화합물에 대해 우수한 광전지 반응이 나타났으며 이는 이들 화합물이 향후 OSC를 합성하는 데 적합하다는 것을 나타냅니다.

OSC의 기술은 아키텍처, 처리 기술 및 반도체 재료 측면에서 발전했습니다1,2. 화석연료를 지속가능하고 깨끗하게 대체할 수 있는 미래가 유망한 태양전지는 유기태양전지(OSC)이다. 제조상의 엄청난 이점, 낮은 무게, 유연성 및 저렴한 비용으로 인해 이 광전지 기술은 수십 년 동안 산업 및 학계의 관심을 받아 왔습니다3. 현재 시나리오에서 햇빛을 전기 에너지로 변환하는 가장 유망한 접근 방식은 광전 효과를 활용하는 태양 전지를 이용하는 것입니다. 이전에 실리콘은 더 높은 전력 변환 효율(PCE), 열 불변성 및 접근 용이성으로 인해 태양 전지의 효율적인 반도체 재료로 간주되었습니다. 요즘에는 높은 비용, 취성 및 고정된 에너지 수준과 같은 특정 요인으로 인해 실리콘 기반 태양 전지에서 실리콘의 활용이 제한되었습니다4. 최근 벌크 이종접합(BHJ)5 OSC는 유연성, 반투명성, 조정 가능한 에너지 수준, 경제적 생존 가능성 및 잠재적인 상업적 응용과 같은 뛰어난 특성으로 인해 글로벌 녹색 에너지원에 대한 매력적인 후보로 부상했습니다6. OSC에는 백본을 통해 서로 직접 연결되는 기증자와 수용체 분자가 혼합되어 있습니다. 풀러렌 수용체를 함유한 OSC는 향상된 PCE, 더 높은 전하 이동성을 포함한 매력적인 자산을 보유하고 있습니다7. 이러한 장점에도 불구하고 풀러렌 수용체와 관련된 사용을 제한하는 특정 제한 사항이 발견되었습니다8. 이러한 풀러렌 유도체의 단점을 극복하기 위해 수용체-공여체-수용체(A-D-A) 골격을 갖춘 비풀러렌 수용체(NFA) 물질이 많은 주목을 받았습니다. A–D–A 다양성은 넓고 효율적인 흡수 밴드 및 조정 가능한 에너지 수준과 같은 고유한 특성으로 인해 특별한 관심을 끌고 있습니다. A–D–A 조합은 화학 결합을 통해 두 개의 측면 전자 결핍 엔드 캡핑 수용체와 부착된 중앙 공여체 코어 단위로 구성됩니다. HOMO-LUMO 밴드 갭을 줄이는 것은 비풀러렌 기반 OSC의 PCE 및 광전지 특성을 향상시키는 가장 효과적인 전략임이 입증되었습니다. 이는 적절한 전자 공여체를 선택하고 부품을 회수함으로써 성공적으로 이루어질 수 있습니다13.

Cl). An increase in Eg (1.742 eV) is monitored in MD4 in which the -NO2 is exchanged with the trifluoromethyl (–CF3) group. A slight enhancement in HOMO/LUMO band gap (1.779 eV) is expressed by MD5 as compared to –CF3 because of the exchange of –CF3 with methyl acetate (–COOCH3) at the acceptor units. This increase in Eg is accredited to the lower electron withdrawing (− I) effect of –COOCH3 in comparison to the –CF3 group. The EHOMO–ELUMO band gap (1.628 eV) is noticed to be reduced in MD6. It is because of the higher − I effect of –CN in comparison to –CF3 and –COOCH3. Also due to –CN, the charge transference rate is enhanced, resulting in lower Eg of orbitals. The highest Eg (1.988 eV) is found for MD7 among all the designed molecules because of the removal of one fragment (pthalonitrile) of the acceptor moieties. Due to this reason the conjugation of the system is decreased as a result of which the band gap increased. Eg (1.940 eV) of MD8 is retrieved to be less than the MD7, because of the incorporation of a thiophene ring at the peripheral acceptor units. As a result of which the conjugation in the molecule gets increased and the energy difference between the orbitals can be lowered. However, the overall descending trend of Eg is in the following order: MD7 > MR1 > MD8 > MD2 > MD5 > MD4 > MD6 > MD3. Furthermore, scheme of electronic cloud on the surface area35 of both MR1 and MD2–MD8 are represented in Fig. 4. Lowest Eg between the orbitals and efficient charge mobility from donor to end capped acceptors is inspected in MD3 chromophore as compared to all other investigated chromophores which appeared to be an effective photovoltaic material./p> MD6 > MD4 > MD5 > MD2 > MD8 > MR1 > MD7./p> MD6 > MD4 > MD2 > MD5 > MD8 > MR1 > MD7. The above trend concludes that MD3 being the red shifted of all in absorption spectrum of both chloroform and gaseous phase would be an efficient OSC material./p> MD2 > MD7 > MD4 > MD5 > MD6 > MD3 > MR1./p> MR1 > MD7 > MD4 > MD5 > MD2 > MD8 > MD3./p> MD8 > MR1 > MD2 > MD5 > MD4 > MD6 > MD3. The band gap is an intrinsic property of semiconductors and eventually has a direct influence on the photovoltaic response of a compound. Band gap energy is the energy required for excitation from the highest occupied molecular orbital (HOMO) towards the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO). Having low band gap means easy excitation or less energy will be required to excite electrons from HOMO to LUMO. If band gap is low, most photons will have more energy than necessary to excite electrons across the band gap generating more electricity with higher efficiency and large photovoltaic response. Herein, we reported our all-designed molecules which are of acceptor nature and are used in making bulk heterojunction devices by blended with polymer (PBDB-T) of donor type. When a complex of donor–acceptor formed we found that our all-designed chromophores have low energy of LUMO in comparison to LUMO of donor polymer. So, there will be a better transition from HOMO of donor polymer to the low lying LUMO of our designed molecules in comparison to the LUMO of donor polymer with more knocking out of electrons and thus enhanced efficiencies. The orbital energy diagram with respect to PBDB-T of all molecules is shown in Fig. 6./p> MD7 > MD8 > MD2 > MD4 > MD5 > MD6 > MD3. So, it is clear that among all investigated chromophores, MD3 is the molecule with lowest value of Eb justifying greater magnitude of dissociation into free electrons with superior photo-electronic properties that describe it to be effective material for OSCs./p>