Самособирающаяся молекула для органических солнечных батарей
Аккумулятор Challenger A12-40
Исследовательская группа из Университета Метрополитен в Осаке разработала молекулу донор-акцептор-донор, которая может спонтанно самоорганизовываться в наноразмерные структуры и обеспечивает более стабильный способ создания встроенных p/n-гетеропереходов в органических солнечных элементах.
В зависимости от растворителя молекула спонтанно организуется в агрегаты J-типа, похожие на наночастицы, или в агрегаты H-типа, похожие на нановолокна.
Учёные из Университета Метрополитен в Осаке разработали молекулярную архитектуру, которая предлагает новую стратегию проектирования для создания более эффективных органических тонкоплёночных солнечных элементов.
Их молекула донор-акцептор-донор (DAD), известная как TISQ, объединяет в одной молекуле сегмент p-типа на основе скварайна и сегмент n-типа на основе нафталиндиимида. Она способна естественным образом образовывать p/n-переходы, также известные как интерфейс между полупроводниками p-типа и n-типа.
Два сегмента соединяются амидными группами, которые способствуют образованию водородных связей. Это означает, что TISQ может спонтанно самоорганизовываться в отдельные наноразмерные структуры, которые, по мнению учёных, могут обеспечить более стабильный способ создания встроенных гетеропереходов p/n.
Такеши Маэда, доцент Высшей инженерной школы университета и ведущий автор исследования, объяснил, что в зависимости от растворителя TISQ может спонтанно организовываться в агрегаты J-типа, похожие на наночастицы, или в агрегаты H-типа, похожие на нановолокна.
В пресс-релизе университета объясняется, что в полярных растворителях TISQ образует наночастицеподобные агрегаты J-типа в результате кооперативного процесса нуклеации и удлиннения, а в малополярных растворителях он собирается в волокнистые агрегаты H-типа по изодесмическому механизму. «Оба типа демонстрируют различное электронное поведение, особенно в том, что касается эффективности переноса зарядов при попадании на них света», — сказал Маэда.
В ходе исследования команда создала органические тонкоплёночные солнечные элементы, в которых TISQ использовался в качестве однокомпонентного фотоактивного материала для проверки применимости устройства. Было показано, что молекула образует наноразмерные p/n-гетеропереходы за счёт самосборки, что, по словам учёных, подтверждает возможность создания молекулярных конструкций, которые самостоятельно организуются в функциональные электронные структуры.
Поскольку эффективность преобразования энергии в изготовленных элементах остаётся низкой, команда исследователей признала, что для их практического применения необходимы дальнейшие исследования. Тем не менее они пришли к выводу, что их результаты демонстрируют, как различия в самоорганизующихся наноразмерных структурах p/n-гетероперехода напрямую влияют на фототок в однокомпонентной системе.
«Мы сосредоточены на разработке стратегий молекулярного проектирования, которые используют самосборку для соединения наноразмерных структур p/n-гетероперехода с фотоэлектронными откликами в однокомпонентных органических системах, — говорит Маэда. — Углубляя понимание взаимосвязи структуры и функций, мы стремимся расширить возможности проектирования органических тонкоплёночных солнечных элементов и сопутствующих оптоэлектронных материалов».
Новая молекула описана в научной статье «Супрамолекулярная полимеризация под контролем растворителя и зависящая от морфологии модуляция фотопроводимости в объёмном гетеропереходе скварайн-нафталиндиимид-сквараин», опубликованной в журнале Angewandte Chemie International Edition.