Primeira estrutura teórica para parâmetros fotovoltaicos altamente eficientes por modificação estrutural com benzotiofeno

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 20148 (2022) Citar este artigo

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Hoje em dia, os investigadores estão constantemente a fazer esforços para melhorar o desempenho dos dispositivos baseados em energia solar, com o objectivo de aumentar o papel dos materiais fotovoltaicos em aplicações optoelectrónicas modernas de alta tecnologia. Percebendo as recentes condições energéticas em todo o mundo, a pesquisa é desviada do fulereno para porções aceitadoras de elétrons não-fulereno nesta era, considerando sua notável contribuição em células solares orgânicas (OSCs). Portanto, projetamos sete novos cromóforos aceitadores de elétrons de anel fundido não fulereno (MD2 – MD8) de DOC2C6-2F por adaptação estrutural com diferentes aceitadores em unidades com tampa terminal. O estudo DFT foi realizado no B3LYP funcional para descobrir as características optoeletrônicas dos cromóforos recém-adaptados. Várias análises, como orbitais moleculares de fronteira (FMOs), matriz de densidade de transição (TDM), densidade de estados (DOS), energia de ligação (Eb), energia de reorganização, tensão de circuito aberto (Voc) foram realizadas para compreender a resposta fotovoltaica de MD2 –MD8. Diminuição nos intervalos de bandas (1,940–1,571 eV) com espectro de absorção mais amplo (725,690–939,844 nm em clorofórmio), juntamente com maior taxa de transferência de carga de HOMO para LUMO foram examinados em derivados em comparação com MR1 (Egap = 1,976 eV, λmax = 738,221 nm ) exceto MD7. Além disso, em todas as derivadas, foram examinados valores menores de Eb (0,252–0,279 eV) do que os de referência (0,296 eV). Esses valores mais baixos de energia de ligação de MD2-MD8 indicaram a maior taxa de dissociação de excitação com taxa de transferência de carregador maior do que MR1, que foi ainda apoiada por análises de DOS e TDM. Além disso, a menor energia de reorganização nos compostos acima mencionados para buraco com elétron também foi inspecionada. Além disso, Voc observou uma boa resposta fotovoltaica para todos os compostos estudados, o que indicou que estes compostos são adequados para sintetizar OSCs no futuro.

As tecnologias dos OSCs progrediram em termos de arquitetura, técnicas de processamento e materiais semicondutores1,2. As células solares com um futuro promissor como substituto sustentável e limpo dos combustíveis fósseis são as células solares orgânicas (OSCs). Devido às profundas vantagens na fabricação, baixo peso, flexibilidade e menor custo, esta tecnologia fotovoltaica tem recebido atenção da comunidade industrial e acadêmica há décadas3. No cenário atual, a abordagem mais promissora de conversão da luz solar em energia elétrica é através de células solares através da utilização do efeito fotoelétrico. Anteriormente, o silício era considerado o material semicondutor eficiente nas células solares devido à sua maior eficiência de conversão de energia (PCE), constância de calor e facilidade de acesso. Atualmente, a utilização de silício em células solares à base de silício tem sido restringida devido a certos fatores como alto custo, fragilidade e níveis fixos de energia4. Recentemente, os OSCs de heterojunção em massa (BHJ)5 surgiram como candidatos atraentes para fontes globais de energia verde devido às suas características excepcionais, como flexibilidade, semitransparência, níveis de energia ajustáveis, viabilidade econômica e potenciais aplicações comerciais6. Os OSCs possuem uma mistura de moléculas doadoras e aceitadoras que se ligam diretamente entre si através de uma espinha dorsal. Os OSCs que possuem aceitadores de fulereno possuem ativos atraentes, incluindo PCE melhorado e maior mobilidade de carga7. Apesar destas vantagens, foram encontradas certas limitações associadas aos aceitadores de fulereno que limitam a sua utilização8. Para superar essas deficiências dos derivados de fulereno, os materiais aceitadores de não fulereno (NFAs) com estrutura aceitador-doador-aceitador (A – D – A) têm dado muita atenção . A diversidade A – D – A é de interesse peculiar devido às suas propriedades únicas, como bandas de absorção amplas e eficientes e níveis de energia ajustáveis ​​. A combinação A – D – A compreende uma unidade central doadora central que se liga a dois aceitadores terminais com deficiência de elétrons laterais por meio de ligação química. Estreitar o intervalo de bandas HOMO-LUMO provou ser a estratégia mais eficaz para melhorar o PCE e as propriedades fotovoltaicas de OSCs não baseados em fulereno . Isso pode ser conseguido com sucesso escolhendo doadores de elétrons apropriados e retirando peças .