Premier cadre théorique pour des paramètres photovoltaïques hautement efficaces par modification structurelle avec du benzothiophène

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 20148 (2022) Citer cet article

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Aujourd'hui, les chercheurs s'efforcent constamment d'améliorer les performances des dispositifs solaires dans le but d'accroître le rôle des matériaux photovoltaïques dans les applications optoélectroniques modernes de haute technologie. Compte tenu des récentes conditions énergétiques à travers le monde, la recherche s'est détournée des fragments accepteurs d'électrons fullerènes vers des fragments accepteurs d'électrons non fullerènes à cette époque, compte tenu de leur contribution remarquable dans les cellules solaires organiques (OSC). Par conséquent, nous avons conçu sept nouveaux chromophores accepteurs d'électrons à anneau fusionné non fullerène (MD2 – MD8) à partir de DOC2C6-2F par adaptation structurelle avec différents accepteurs au niveau des unités coiffées aux extrémités. Une étude DFT a été réalisée au B3LYP fonctionnel pour découvrir les caractéristiques optoélectroniques des chromophores nouvellement adaptés. Diverses analyses telles que les orbitales moléculaires frontières (FMO), la matrice de densité de transition (TDM), la densité d'états (DOS), l'énergie de liaison (Eb), l'énergie de réorganisation, la tension en circuit ouvert (Voc) ont été réalisées pour comprendre la réponse photovoltaïque de MD2. –MD8. Une diminution des bandes interdites (1,940 à 1,571 eV) avec un spectre d'absorption plus large (725,690 à 939,844 nm dans le chloroforme) ainsi qu'un taux de transfert de charge plus élevé de HOMO vers LUMO ont été examinés dans les dérivés par rapport à MR1 (Egap = 1,976 eV, λmax = 738,221 nm ) sauf MD7. De plus, dans tous les dérivés, des valeurs d'Eb plus petites (0, 252 à 0, 279 eV) ont été examinées que celles de référence (0, 296 eV). Ces valeurs d'énergie de liaison inférieures de MD2 à MD8 indiquaient un taux de dissociation d'excitation plus élevé avec le taux de transfert du chargeur plus grand que celui de MR1, ce que confirment en outre les analyses DOS et TDM. De plus, la moindre énergie de réorganisation dans les composés susmentionnés pour les trous avec électrons a également été inspectée. De plus, Voc, une bonne réponse photovoltaïque a été notée pour tous les composés étudiés, ce qui indique que ces composés sont adaptés à la synthèse future d'OSC.

Les technologies des OSC ont progressé en termes d'architecture, de techniques de traitement et de matériaux semi-conducteurs1,2. Les cellules solaires ayant un avenir prometteur en tant que remplacement durable et propre des combustibles fossiles sont les cellules solaires organiques (OSC). En raison de ses profonds avantages en termes de fabrication, de son faible poids, de sa flexibilité et de son coût inférieur, cette technologie photovoltaïque retient l'attention de la communauté industrielle et universitaire depuis des décennies3. Dans le scénario actuel, l’approche la plus prometteuse pour convertir la lumière du soleil en énergie électrique consiste à utiliser des cellules solaires utilisant l’effet photoélectrique. Auparavant, le silicium était considéré comme le matériau semi-conducteur efficace dans les cellules solaires en raison de son efficacité de conversion de puissance (PCE) plus élevée, de sa constance thermique et de sa facilité d'accès. De nos jours, l'utilisation du silicium dans les cellules solaires à base de silicium est limitée en raison de certains facteurs tels que le coût élevé, la fragilité et les niveaux d'énergie fixes4. Récemment, les OSC à hétérojonction en vrac (BHJ)5 sont devenues des candidats attrayants pour les sources d'énergie verte mondiales en raison de leurs caractéristiques exceptionnelles telles que la flexibilité, la semi-transparence, les niveaux d'énergie réglables, la viabilité économique et les applications commerciales potentielles6. Les OSC contiennent un mélange de molécules donneuses et acceptrices qui se lient directement les unes aux autres via un squelette. Les OSC portant des accepteurs de fullerène détiennent des atouts attrayants, notamment un PCE amélioré et une mobilité de charge plus élevée7. Malgré ces avantages, certaines limitations associées aux accepteurs de fullerènes limitent leur utilisation8. Pour surmonter ces lacunes des dérivés du fullerène, les matériaux accepteurs non fullerènes (NFA)9 avec un squelette accepteur-donneur-accepteur (A-D-A) ont fait l'objet d'une grande attention10. La diversité A–D–A présente un intérêt particulier en raison de ses propriétés uniques telles que des bandes d’absorption larges et efficaces et des niveaux d’énergie réglables11. La combinaison A – D – A comprend une unité centrale de donneur centrale qui s'attache à deux accepteurs latéraux coiffés d'extrémités déficientes en électrons par liaison chimique. La réduction de la bande interdite HOMO – LUMO s’est avérée la stratégie la plus efficace pour améliorer le PCE et les propriétés photovoltaïques des OSC sans fullerène12. Ceci peut être réalisé avec succès en choisissant un donneur d’électrons approprié et en retirant des pièces13.