Stellen Sie sich Technologie wie einen Rennwagen vor, der über eine Rennstrecke rast – er kann nur so schnell fahren, wie sein Motor es zulässt. Doch gerade als es so aussah, als ob organische Solarzellen auf ein Hindernis stoßen, taucht 3PNIN auf, ein bahnbrechendes Molekül in Form eines Propellers, das bereit ist, ihren Fortschritt zu beschleunigen und Barrieren zu durchbrechen.
Organische Solarzellen (OSCs) stellen den Höhepunkt der erneuerbaren Energien dar, doch bestimmte Komponenten sind deutlich hinter der laufenden Entwicklung zurückgeblieben. Insbesondere Kathodengrenzflächenmaterialien (CIMs) haben es nicht geschafft, die nötige Dynamik aufrechtzuerhalten, um mit der kontinuierlichen Verbesserung von OSCs mitzuhalten.
CIMs spielen eine entscheidende Rolle bei der Stromleitung vom Metall zum Halbleiter und umgekehrt; Wenn ihre Elektronentransportleistung also unzureichend ist, wird die Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) von OSCs beeinträchtigt. Als Reaktion auf diese Herausforderung untersuchten die Forscher, wie sich die Molekülstruktur auf die Gesamtleistung sowohl der Zelle als auch der Schnittstellenmaterialien auswirkt.
Zwei propellerförmige Verbindungen veranschaulichen den erheblichen Einfluss, den die molekulare Konfiguration auf die Verbesserung der Funktionalität von CIMs und damit der photovoltaischen Leistung von OSCs haben kann.
Forscher veröffentlicht ihre Ergebnisse in Nanoforschung.
Die Studie berichtete über zwei Isomere, 3PNIN und 3ONIN, bei denen es sich um Moleküle mit derselben Formel handelt, die jedoch unterschiedliche Anordnungen endverkappter Gruppen aufweisen. Diese unterschiedlichen Gruppenanordnungen ermöglichen unterschiedliche intermolekulare Wechselwirkungen innerhalb eines Isomers, die mit dem anderen möglicherweise nicht erreichbar sind.
„Im riesigen Bereich der erneuerbaren Energien haben OSCs eine herausragende Stellung erlangt, die sich durch ihre ätherische Architektur, Halbtransparenz, kostengünstige Produktion und skalierbare gedruckte Baugruppe auszeichnen, und läuten eine neue Ära in der Bereitstellung flexibler tragbarer Technologien ein“, bemerkte Prof. Minghua Huang, ein Autor der Studie.
Die Bedeutung dieser Technologie in einer Welt, in der nachhaltige Energiequellen erheblich an Bedeutung (und Notwendigkeit) gewonnen haben, kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Beim Testen der in dieser Studie vorgestellten propellerförmigen Isomere zeigten die Ergebnisse, dass die beiden Verbindungen je nach Konfiguration sehr unterschiedliche Wirkungen ausüben können, wobei eine Variante die andere bei der Verbesserung der Funktionalität von CIMs übertrifft.
3PNIN weist im Vergleich zu seinem Gegenstück 3ONIN eine planarere Molekülstruktur auf. Diese strukturelle Ungleichheit ermöglicht es den endverschlossenen Gruppen in 3PNIN, im Vergleich zu 3ONIN flacher zu liegen, was zu erheblichen Verbesserungen der Funktionalität, wie z. B. Elektronenmobilität und Leitfähigkeit, führt. „Im Ergebnis erzielen 3PNIN- und 3ONIN-behandelte OSC-Geräte PCEs von 17,73 % bzw. 16,82 %“, sagte Huang.
3PNIN bietet erhebliche Aussichten auf die Herstellung eines thermisch stabilen Geräts und verbessert gleichzeitig die PCE von OSCs, zusätzlich zu den Vorteilen einer verbesserten Mobilität und Leitfähigkeit im Vergleich zur vorherrschenden Technologie, die weithin für CIMs verwendet wird. Eine weitere Verfeinerung von OSC-Geräten, die mit dem 3PNIN-Isomer behandelt werden, birgt das Potenzial, die Zugänglichkeit und Effizienz dieser Energiequelle zu verbessern.
Verbesserungen bei OSCs können weitreichende Auswirkungen auf die Landschaft der erneuerbaren Energien haben und sich möglicherweise auf andere Bereiche der Technologie erstrecken, die auf organische Elektronik angewiesen sind.
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Hao Liu et al., Propellerförmige NI-Isomere von Kathodengrenzflächenmaterial für effiziente organische Solarzellen, Nanoforschung (2024). DOI: 10.1007/s12274-024-6482-z
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