비필레렌 수용체

Non-fullerene acceptor

비플루렌 수용체(NFA)는 유기 태양전지(OSC)에 사용되는 수용체의 한 종류입니다.풀레렌이라는 이름은 벌크 헤테로 접합 유기 태양 전지의 주요 수용체로 사용된 또 다른 유형의 수용체-분자에서 유래했습니다.따라서 비필레렌 수용체는 이러한 수용체의 일부가 아닌 것으로 정의됩니다.

비플루렌 수용체 연구는 플라렌 기반 유기 태양 전지와 비교했을 때 유망한 결과를 보여주지 못했다.그러나 이 분야의 최근 발전은 NFA 기반 OSC에 일련의 새로운 기회를 제공했습니다.가장 중요한 돌파구는 소형 분자 수용체(SMA)의 개발이었다.이러한 수용체들은 그 특성 때문에 풀레렌 수용체를 위한 더 나은 대안이 될 수 있는 유망한 결과를 보여주고 있다.이러한 SMA를 큰 연구 주제로 만드는 특성은 조정 가능성입니다.SMA는 풀레렌 수용체보다 훨씬 더 크게 변경할 수 있습니다.그러나 OSC에서 [1]사용하기 위해 SMA의 설계에 대해 아직 많은 개선 사항이 있습니다.

최근 NFA-OSC 설계에 대한 연구는 플라렌 수용체뿐만 아니라 비풀레렌 수용체를 사용한 소위 탠덤 태양 전지로 15%의 효율성을 보였다.연구자가 이 비율을 최대 18%까지 높일 수 있는 가능성이 높기 때문에, NFA-OSC는 상업적인 응용 분야에서 [2]수익성이 높은 광전지가 될 가능성이 크다.

NFA 잠재력

이점

풀레렌 수용체(FA)는 OSC에서 광범위하게 사용되고 있습니다.이것은 플라렌의 몇 가지 특징에 의해 합리화된다.3차원 특성으로 인해 벌크 헤테로 접합 구조에 적합한 재료가 됩니다.또, 전자 구성(디로컬라이즈드 LUMO)에 의해서, 효율적인 투과와 높은 전자 이동성을 실현합니다.또 다른 결과는 그것들이 호환 가능한 기증자 중합체와 쉽게 결합된다는 것이다.그러나 플라렌 수용체 유기 태양전지(FA-OSC)는 제한된 효율에 직면한다.플라렌 화합물의 에너지 수준은 비교적 일정하고 변화하기 어렵다.또한 가시 스펙트럼과 근적외선 스펙트럼의 흡수가 약하고 열 불안정성과 광화학 불안정성이 낮다.[3] 수용체는 광범위하게 정제되어야 하며, FA를 사용하는 경제적 및 시간적 단점이 추가되어야 한다.[1]

소분자수용체(SMA)의 형태로 이루어진 유기 NFA는 이러한 플라렌 결핍을 극복하는 데 사용될 수 있습니다.이들은 보다 구조적인 자유도를 가지고 있어 높은 전자 친화성 조절성을 가능하게 한다; 그들은 부수적인 가시 NIR 방사선을 더 강하게 흡수한다; 그들은 더 안정적이다; 그들은 공여 폴리머와 호환되며 그들은 (일반적으로) 합성하기 쉽다.전력 변환 효율(PCE)이 13%를 넘는 NF-OSC가 [4]보고되어 FA 기반의 [5]NF-OSC보다 높은 값에 도달했습니다.

단점들

SMA의 단점 중 하나는 대기 조건 하에서 평면 구조의 결과로 무질서(비등방성) 상태에 빠지는 경향이 있다는 것이다.충분한 전자 이동성을 위해 방향성이 필요하기 때문에 종종 평면이 됩니다.질서의 결여는 유도 [1]전류를 유도하는 전자 수송 및 효과적인 추출 경로를 감소시킬 수 있다.게다가 대응하는 배향의 결여는 기증자 수용체 들뜸 형성에 영향을 준다.[6] 이로 인해 벌크 헤테로 접합의 호환성이 FA보다 떨어집니다.SMA 사용에 대한 연구의 또 다른 단점은 과학자들이 유도해야 하는 기증자-수용자 쌍의 가능성에 대한 심오한 스칼라이다.[7]

물리

유기 태양 전지의 에너지 상태 개략도

유기 태양 전지의 전류 유도 메커니즘은 전하 전달을 포함한다.전자공여 폴리머에서 전자파 흡수 및 들뜸 형성 후, 들뜸 전자는 공여체 LUMO보다 낮은 에너지 값으로 인해 수용체 전도 대역(LUMO) 쪽으로 이동하며, 이를 전하 분리라고 하며, 이에 대응하는 에너지 값 })를 만족시킵니다. 여기서 CS는 전하 분리를 나타내고, A는 수용체, D는 기증자 분자를 나타낸다.이 프로세스에서 얻을 수 있는 최대 에너지는 Coolombic 전위와 함께 전하 전달 에너지인 T E_로 정의됩니다. 광학적 여기 에너지(광학적 밴드 갭 에너지, p(\g}^{와 전하 전달 에너지의 차이는 시스템의 [8]원동력입니다.

현재 플라렌 기반 OSC에 비해 NF-OSC의 장점은 사용되는 SMA가 전자 친화성 조정의 결과로 기증자와 상대적으로 호환된다는 것이다.이들의 호환성은 LUMO 에너지 값의 유사성에서 비롯된다.구동력은 무시해도 될 정도의 전하 분리 손실과 함께 쿨롱의 기여(<0.3 eV)만으로 최소화됩니다.이로 인해 잠재적 ( s \ V_loss이 적어지며, 이는 현재 유도 프로세스 중 복사 및 비방사성 손실과 함께 구동력의 값에 따라 명시적으로 좌우됩니다.따라서, NF-OSC의 , q 전자의 전하와 함께 E { } = 가 되어 유용한 에너지 출력이 높아집니다.그 결과 높은 단선 가 발생합니다.플라렌과 비교하여 태양 전지의OC}}. 값이 1.1V에 [9]달한다고 되었다.그러나 전하분리 에너지비용의 감소는 에너지적으로 덜 선호되기 때문에 공여체 전도대역의 들뜬 전자가 수용체 LUMO로 이동하는 경향에 부정적인 영향을 미친다.이것은 전류에서 유도되는 전자는 더 에너지적이지만 유도되는 전자는 더 적다는 사실을 야기한다.즉, 단락 전류 C 및 충전율(FF)이 감소합니다.[9] PCE의 관점에서 개방전압이 높을수록 단락전류밀도 및 충전계수가 낮아진다.연구진은 아주 적은 구동력으로도 초고속 전하 분리가 가능하다는 것을 보여주었다.실제로 전기 외부 양자 L\ _{EL은(는)[9] 가장 낮은 구동력을 가진 기증자-수용체 혼합에 가장 높습니다.

종류들

비플루렌 수용체의 주요 장점 중 하나는 화학적 변형을 통해 조정되고 사용자 지정될 수 있다는 것입니다.이것은 플라렌 수용체와는 반대입니다.또한 SMA로서 적용될 가능성이 매우 크기 때문에 즉시 병목현상이 발생합니다.다양한 SMA가 성공적인 리셉터로서 테스트되고 있지만, 2개의 클래스의 SMA가 전력 변환 효율(PCE)에 관한 최선의 결과를 얻을 수 있는 것으로 증명되어 최신의 가장 큰 속성이 되고 있습니다.NFA-OSC의 [7]개발.

리렌디이미드

리렌디이미드는, 전술한 바와 같이, 현대의 NFA-OSC에서 수용체 분자의 기초가 되는 2개의 주요 아분류 중 하나이다.릴렌디이미드는 공업용 염료이며, 다시 두 가지 하위 분류로 나눌 수 있습니다.페릴렌디이미드(PDIs)와 나프탈렌디이미드(NDIs)입니다.리렌디이미드는 평면 릴렌 프레임워크로 구성되며 특정 서브그룹을 부착하고 하나의 리셉터에 더 많은 PDI 분자를 사용함으로써 수많은 구조를 만들 수 있습니다.모노-PDI 분자는 오른쪽 그림에 나와 있습니다.

페리렌디이미드의 기본 구조.

리렌디이미드는 그 성질이 좋기 때문에 좋은 수용체로 여겨진다.리렌디이미드는 보통 분자간 [7]γ-적층 때문에 높은 e(\을 갖는다.이러한 값은 플라렌 수용체와 유사합니다.또한 볼렌 디테이트는 볼 수 있으며, 열 및 산화 안정성과 산화 안정성이 높은 범위(예: v-d)를 추가해야 합니다.f리렌디이미드 기반의 OSC를 설계하고 개선함으로써 얻은 것은 분자의 평면구조가 결정구조로 집적되는 경향이 있기 때문에 PDI의 합성에 주로 관여한다.이로 인해 벌크 헤테로 접합에서 도메인 크기가 선호되는 20nm보다 크게 향상되어 전하 전송 능력이 낮아집니다.연구자들은 세 가지 구조 적응을 통해 이 집적을 줄이려고 노력했으며, 모두 릴렌디이미드 분자의 이동성을 향상시키는 데 초점을 맞추고 있습니다.첫 번째 접근 방식은 두 개의 PDI 분자를 단일 탄소 결합에 연결하여 이른바 트위스트 이합체를 형성하는 것입니다.두 번째 합성은 PDI 분자의 고도로 꼬인 3D 구조를 형성하고, 세 번째 접근 방식은 퓨전 링 [1]구조를 형성합니다.세 가지 방법 모두에 대해 아래 그림에 분자 예가 나와 있습니다.이러한 유도체는 OSC에서 성능 및 PCE에 대해 테스트 및 평가된 수용체 분자의 예이다.향후 연구는 더 나은 PDI를 개발하여 OSC의 PCE 값을 높이는 데 초점을 맞출 것입니다.

3개의 PDI 기반 SMA가 3개의 다른 합성을 사용하여 구축되어 BHJ의 도메인 크기를 줄입니다.

퓨즈링 전자수용체

퓨즈링 전자수용체(FREA)는 Rylene diimide와 완전히 다릅니다.그들은 기증자 그룹 사이에 있는 두 개의 전자 인출 그룹으로 구성됩니다.이 기증자 그룹은 융합된 방향족 [7]고리의 δ 브리지입니다.FREA는 플라렌 수용체와 유사한 e \}) 을 가지며 흡수 [7]범위가 넓다.측쇄, 코어 및 엔드 그룹을 치환함으로써 전자 친화도를 조정할 수 있다.현재의 연구는 이러한 모든 그룹을 변화시키면서 최적의 FREA를 설계하는 데 초점을 맞추고 있다.또 다른 개발 문제는 이러한 분자의 값비싼 합성이다.따라서 가장 효율적인 합성 경로를 찾는 것도 이러한 수용기에 관한 중요한 주제입니다.

장래의 발전

현재 연구에서 리렌 다이미드(작은 밴드갭 에너지 공여자용)와 FREA(큰 밴드갭 에너지 공여자용)는 벌크 헤테로 접합 혼합 전지의 상용화 가능성이 가장 높은 것으로 나타났다.광대역 갭 공여기는 전압을 높이고 전류 밀도를 감소시키는 것으로 알려져 있지만 FREA와 조합하면 두 값 모두 상대적으로 높을 수 있습니다.

NFA-OSC가 상업적으로 이익을 얻기 위해서는 아직 많은 개선이 필요하다.우선,[7] PCE는 상업용 최소값이기 때문에 최소 15%까지 증가해야 합니다.이미 PCE는 13%를 넘었기 때문에 최근의 개발은 순조롭게 진행되고 있습니다.PCE는 예를 들어 전자 이동성의 수준에서 훨씬 더 나은 NFA를 설계함으로써 증가할 수 있습니다(3 10- V - - \ 3 \ 10 ^ { - } . 3 .}}: 7.0 - - - 1 { .0 \ 10 ^{ - ^{와 비교하여 최적의 NFA에 대하여}}:최적의 [1]FA를 위한 것입니다더 나은 기증자 매칭, 탠덤 구조, BHJ 형태 및 기증자 및 수용자의 도메인 순도 측면에서 개선될 수 있습니다.

이러한 이론적 연구 측면 외에도, 상용화된 상용 태양 전지의 구현은 쉽고 지속 가능한 장치 제작 방법 및 유기 화합물의 장기적인 안정성 등 많은 과제를 야기합니다.또한 업스케일링에서는 일반적으로 PCE가 [7]폐기되는 것으로 조사되고 있습니다.이 모든 분야에서, NFA-OSC는 큰 잠재력을 보여주지만, 고체 비-플루렌 수용체-유기 태양 전지가 무기 태양 전지와 경쟁하기 위해서는 많은 연구가 필요할 것이다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c d e f g Yan, He; Facchetti, Antonio; Guo, Xugang; Tan, Huei Shuan; Zhang, Jianquan (September 2018). "Material insights and challenges for non-fullerene organic solar cells based on small molecular acceptors". Nature Energy. 3 (9): 720–731. Bibcode:2018NatEn...3..720Z. doi:10.1038/s41560-018-0181-5. ISSN 2058-7546.
  2. ^ Che, Xiaozhou; Li, Yongxi; Qu, Yue; Forrest, Stephen (May 2018). "High fabrication yield organic tandem photovoltaics combining vacuum- and solution-processed subcells with 15% efficiency". Nature Energy. 3 (9): 422–427. Bibcode:2018NatEn...3..720Z. doi:10.1038/s41560-018-0134-z. ISSN 2058-7546.
  3. ^ A. Distler (2014). "The effect of PCBM dimerization on the performance of bulk heterojunction solar cells". Advanced Energy Materials. 4: 1300693. doi:10.1002/aenm.201300693.
  4. ^ W. Zhao (2017). "Molecular optimization enables over 13% efficiency in organic solar cells". Journal of the American Chemical Society. 139 (21): 7148–7151. doi:10.1021/jacs.7b02677. PMID 28513158.
  5. ^ M. Li (2017). "Solution-processed organic tandem solar cells with power conversion efficiencies >12%". Nature Photonics. 11 (2): 85–90. Bibcode:2017NaPho..11...85L. doi:10.1038/nphoton.2016.240.
  6. ^ S. Jinnai (2016). "Electron-accepting π-conjugated systems for organic photovoltaics: influence of structural modification on molecular orientation at donor–acceptor interfaces". Chemistry of Materials. 28 (6): 1705–1713. doi:10.1021/acs.chemmater.5b04551.
  7. ^ a b c d e f g Yan, Cenqi; Barlow, Stephen; Yan, He; Jen, Alex; Marder, Seth; Zhan, Xiaowei (February 2018). "Non-fullerene acceptors for organic solar cells". Nature Reviews Materials. 3 (3): 18003. Bibcode:2018NatRM...318003Y. doi:10.1038/natrevmats.2018.3. ISSN 2058-8437.
  8. ^ K. Nakano (2019). "Anatomy of the energetic driving force for charge generation in organic solar cells". Nature Communications. 10: 2520. Bibcode:2019NatCo..10.2520N. doi:10.1038/s41467-019-10434-3. PMC 6555791.
  9. ^ a b c J. Liu (2019). "Fast charge separation in a non-fullerene organic solar cell with a small driving force". Nature Energy. 1 (7). doi:10.1038/nenergy.2016.89.
  10. ^ Huang, Hoa; Guo, Qingxin; Feng, Shiyu; Zhang, Cai'e; et al. (July 2019). "Noncovalently fused-ring electron acceptors with near-infrared absorption for high-performance organic solar cells". Nature Communications. 10 (1): 3038. Bibcode:2019NatCo..10.3038H. doi:10.1038/s41467-019-11001-6. PMC 6620284. PMID 31292441.