In organischen Solarzellen wandeln kohlenstoffbasierte Polymere Licht in Ladungen um, die an einen Akzeptor weitergegeben werden. Diese Art von Material hat großes Potenzial, aber um es zu erschließen, ist ein besseres Verständnis der Art und Weise erforderlich, wie Ladungen erzeugt und entlang der Polymere transportiert werden.
Wissenschaftler der Universität Groningen haben nun berechnet, wie dies geschieht, indem sie Molekulardynamiksimulationen mit Quantenrechnungen kombinierten, und theoretische Erkenntnisse zur Interpretation experimenteller Daten geliefert.
Die Ergebnisse wurden im veröffentlicht Zeitschrift für Physikalische Chemie C.
Organische Solarzellen sind dünner als klassische siliziumbasierte Zellen, sie sind flexibel und wahrscheinlich einfacher herzustellen. Um ihre Effizienz zu verbessern, ist es wichtig zu verstehen, wie Ladungen durch den Polymerfilm wandern.
„Diese Filme bestehen aus einem Elektronendonor und einem Elektronenakzeptor“, erklärt Elisa Palacino-González, Postdoktorandin in der Gruppe Theory of Condensed Matter am Zernike Institute for Advanced Materials, Universität Groningen (Niederlande). „Die Ladungen werden entlang der verschlungenen Polymerketten delokalisiert und auf einer Zeitskala von weniger als 100 Femtosekunden vom Donor zum Akzeptor übertragen. Wir brauchen also theoretische Studien und Simulationen, um diesen Prozess zu verstehen.“
Ladungsübertragung
Das von Palacino-González untersuchte System besteht aus dem Kunststoffhalbleiter P3HT als Donor und PCBM, einem Polymer mit einem C60-Buckyball, als Akzeptor.
„Wir wollten wissen, wie Ladungen durch das Material geleitet werden, um zu verstehen, wie dieses Material Energie einfängt und transportiert. Denn wenn wir das verstehen, könnte es möglich sein, es zu kontrollieren.“ Experimentelle Studien des Materials liefern einige Informationen, jedoch nur über Massenprozesse.
„Daher haben wir Molekulardynamik-Simulationen zur Bestimmung der Bewegung der Moleküle im Material mit quantenchemischen Berechnungen kombiniert, um das Donor-Polymer mithilfe der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie atomistisch zu modellieren.“
Diese theoretischen Untersuchungen wurden mit einem Donorpolymer durchgeführt, das aus zwölf Monomeren aufgebaut war. „Wir haben uns hauptsächlich auf den Spender konzentriert, um zu untersuchen, wie die Anregungen im Material zustande kommen.“ Die Molekulardynamiksimulationen zeigen die Bewegung im Grundzustand aufgrund thermischer Effekte. Palacino-González berechnete dies für einen Zeitraum von 12,5 Pikosekunden, was ausreichte, um den Femtosekunden-Ladungstransfer zu untersuchen.
Experimente
„Und der nächste Schritt war, diese Moleküle mit der Quantenwelt zu überlagern“, fährt Palacino-González fort. Dazu begann sie mit Dimeren. „Zwei Monomere nebeneinander in der Polymerkette werden interagieren, sie ‚reden‘ miteinander. Dies führt zu einer Aufspaltung der Energieniveaus des Duos“, erklärt Palacino-González.
Sie erstellte einen „Fingerabdruck“ der Energie des Dimers in Form eines Hamilton-Operators, einer Matrix, die alle Informationen über ein molekulares System enthält. „Wenn zwei Monomere parallel ausgerichtet sind, sind die beiden gekoppelt und sprechen miteinander. Aber wenn sie im 90-Grad-Winkel stehen, ist die Wechselwirkung minimal.“
Ein solcher Winkel bildet einen Knick im Molekül, der die Energieübertragung entlang der Polymerkette behindert. „Eine statistische Analyse des simulierten Materials aus 845 Polymeren zeigt, dass etwa die Hälfte perfekt ausgerichtet ist, während die andere Hälfte meist ein oder zwei Knicke aufweist“, sagt Palacino-González. Aus Dimeren berechnete sie den Hamilton-Operator von 12-meren (bestehend aus 6 Dimeren).
Ihre Berechnungen beinhalteten eine unterschiedliche Anzahl von Knicken in den 12-mer-Donorpolymeren. „Diese Studien zeigen die Energieverteilung entlang der Polymere und liefern uns ein realistisches Modell zur Charakterisierung der Wirkung der durch die Materialien erzeugten Umgebung auf die spektralen Signale der Akzeptor-Polymermischungen, das direkt mit aktuellen Experimenten an diesen Materialien vergleichbar ist.“
Realistische Beschreibung
Obwohl das Modell begrenzt ist, da es nur Monomeren erlaubt, mit ihrem direkten Nachbarn zu interagieren, liefern die Ergebnisse wichtige Einblicke in experimentelle Ergebnisse.
„Unsere Berechnungen basieren auf ersten Prinzipien, und dies ist das erste Mal, dass eine solche Analyse, einschließlich der realistischen Beschreibung der Mischungsumgebung, für dieses Material durchgeführt wurde. Das bedeutet, dass wir jetzt dazu beitragen können, die aus experimentellen Studien mit P3HT generierten Spektren zu erklären.“ /PCBM-Mischungen. Wir können zum Beispiel zeigen, wie die Größenverteilung die Spektren verändert, die durch Laserlichtanregung erzeugt werden“, sagt Palacino-González.
„Wir sind jetzt in der Lage, den ultraschnellen Ladungstransferprozess vom Donor zum Akzeptor zu betrachten. Dies wird theoretische Studien zur organischen Photovoltaik anregen und Experimentatoren helfen, ihre Ergebnisse zu verstehen.“
Mehr Informationen:
Elisa Palacino-González et al, Modellierung der Auswirkung von Unordnung in der zweidimensionalen elektronischen Spektroskopie von Poly-3-hexyltiophen in einer organischen Photovoltaikmischung: ein kombinierter Quanten-/klassischer Ansatz, Das Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c01080