17.09.2021 - Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech)

Neuartiges Polymer kann Leistung von organischen und Perowskit-Solarzellen steigern

Skoltech-Forscher und ihre Kollegen haben ein neues konjugiertes Polymer für die organische Elektronik durch zwei verschiedene chemische Reaktionen synthetisiert und die Auswirkungen der beiden Methoden auf seine Leistung in organischen und Perowskit-Solarzellen gezeigt. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Macromolecular Chemistry and Physics veröffentlicht.

Da die Welt versucht, auf saubere und erneuerbare Energien wie Solarenergie umzusteigen, arbeiten Wissenschaftler daran, Solarzellen für die Stromerzeugung effizienter zu machen. Zu den vielversprechenden Ansätzen gehören zwei sich rasch entwickelnde Photovoltaik-Technologien, die das Potenzial für eine kostengünstige, nachhaltige Solarenergieerzeugung haben: organische Solarzellen und Bleihalogenid-Perowskit-Solarzellen. Ihr Hauptvorteil gegenüber den kommerziellen Solarzellen auf der Basis von kristallinem Silizium sind die geringen Kosten für die Abscheidung der photoaktiven Schicht aus einer Lösung. Dies macht die Energieerzeugung billiger, vereinfacht die Skalierung durch Drucktechniken und die Rolle-zu-Rolle-Herstellung und ermöglicht die Herstellung von Geräten auf flexiblen und dehnbaren Oberflächen.

Es gibt jedoch mehrere Hindernisse für die breite Einführung dieser Technologien. Zum einen liegt die Effizienz organischer Solarzellen noch in weiter Ferne. Dazu muss die Zusammensetzung der photoaktiven Schicht optimiert werden. Bei organischen Solarzellen erfolgt die Umwandlung von Licht in Energie in der photoaktiven Schicht, die aus einer Mischung von Donor- und Akzeptormaterialien besteht - der Donor ist normalerweise ein konjugiertes Polymer.

Perowskit-Solarzellen haben einen spektakulären zertifizierten Rekordwirkungsgrad von 25,5 % erreicht, aber die Langzeitstabilität bleibt ein Problem. Jüngste Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass die Stabilität der Geräte verbessert werden kann, indem das photoaktive Perowskit-Material mit einer Ladungsextraktionsschicht bedeckt wird, die eine effiziente Verkapselung ermöglicht. Diese Schutzfunktion kann unter anderem von konjugierten Polymeren erfüllt werden, weshalb es wichtig ist, ihre Qualität durch Verbesserung ihrer Synthese zu maximieren.

"Konjugierte Polymere haben eine Vielzahl von wichtigen Anwendungen, was uns dazu veranlasst hat, nach Möglichkeiten zu suchen, ihre Synthese zu optimieren, um ihre Qualität zu verbessern, was zu einer besseren Leistung von photovoltaischen Geräten führen würde. Unsere Studie konzentriert sich auf eine bestimmte Art von konjugierten Polymeren, die die Isoindigo-Einheit in der Polymerkette enthalten. Die Ergebnisse zeigen, dass zwischen den beiden Synthesewegen, die für die Herstellung von Materialien auf Isoindigo-Basis angewandt werden, die Stille-Reaktion als letzter Schritt der Synthese gegenüber der Suzuki-Reaktion bevorzugt werden sollte", erklärt Skoltech-Doktorandin Marina Tepliakova.

Gemeinsam mit Skoltech-Provost Keith Stevenson und ihren Kollegen vom RAS-Institut für Probleme der chemischen Physik synthetisierte Marina Tepliakova ein konjugiertes Polymer auf der Basis von Isoindigo, einem Isomer des bekannten Indigofarbstoffs. Das Team nutzte zwei Synthesewege, die üblicherweise zur Herstellung von Polymeren auf Isoindigo-Basis verwendet werden: die Stille- und die Suzuki-Polykondensationsreaktion.

Konjugierte Polymere sind organische Materialien, die in der Regel abwechselnde Donor- und Akzeptoreinheiten in ihrer Struktur enthalten, weshalb sie auch als D-A-D-A-D-Materialien bezeichnet werden. Die D- und A-Einheiten, die so genannten Monomere, werden durch verschiedene Polymerisationsreaktionen zu Polymerketten verknüpft, wobei jede dieser Reaktionen voraussetzt, dass die Monomere von vornherein bestimmte zusätzliche funktionelle Gruppen tragen. Für Polymere, die die Isoindigo-Einheit als Akzeptorkomponente enthalten, stehen zwei Synthesewege zur Verfügung, die in der Studie des Skoltech-IPCP RAS-Teams beide untersucht wurden.

Abgesehen von der oben erwähnten Unterscheidung der funktionellen Gruppen unterscheiden sich die beiden Synthesewege auch in Bezug auf die erforderlichen Reaktionsbedingungen. So erfordert der Suzuki-Polykondensationsprozess, dass eine anorganische Base zusammen mit den beiden Monomeren in einem Gemisch aus nicht mischbaren Flüssigkeiten - Wasser und organischem Lösungsmittel - vorhanden ist. Der Monomertransfer zwischen den Phasen wird durch spezielle Moleküle, so genannte Transferkatalysatoren, ermöglicht. Die Stille-Reaktion findet in der Regel in einer Phase und bei erhöhten Temperaturen statt. Außerdem werden für beide Reaktionen Katalysatoren auf Palladiumbasis benötigt.

"Unsere erste Beobachtung war, dass die Standardbedingungen der Suzuki-Reaktion nicht mit der Monomersynthese auf Isoindigo-Basis kompatibel waren", so Marina Tepliakova. "Mit Hilfe der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie beobachteten wir unter den Standard-Suzuki-Bedingungen eine Zersetzung des Monomersignals in drei verschiedene Signale einiger Nebenprodukte mit unterschiedlichen Retentionszeiten. Dies bedeutete, dass eine irreversible Zerstörung des Monomers auf Isoindigobasis stattfand. Also passten wir die Reaktionsbedingungen an, bis sie für das Material nicht mehr schädlich waren.

Nachdem das Team die Suzuki-Reaktion optimiert hatte, synthetisierte es das Polymer auf beiden Wegen. Die resultierenden Materialien wiesen ähnliche Molekulargewichte und optoelektronische Eigenschaften auf. Anschließend testeten die Forscher die Proben in photovoltaischen Geräten: organische und Perowskit-Solarzellen. Das mit der Stille-Reaktion gewonnene Polymer zeigte mit Wirkungsgraden von 15,1 % bzw. 4,1 % in Perowskit- und organischen Solarzellen eine überlegene Leistung, während das von Suzuki stammende Material einen Wirkungsgrad von 12,6 % bzw. 2,7 % erzielte.

Das Team führte den Leistungsunterschied auf das Vorhandensein so genannter Ladungsfallen in dem mit der Suzuki-Reaktion gewonnenen Material zurück. Diese Annahme wurde durch eine Technik namens Elektronen-Spin-Resonanz bestätigt, die zeigte, dass das über den Stille-Weg gewonnene Material fünfmal weniger Defekte aufwies.

Durch die Anpassung des Ansatzes an die Monomersynthese auf Isoindigo-Basis haben die Forscher einen Weg gefunden, hochwertiges Material herzustellen, das in Photovoltaikzellen gut funktioniert. In einem Folgeexperiment synthetisiert das Team nun mehrere Materialien, die in Perowskit-Solarzellen getestet werden sollen. Diese bevorstehende Studie wird klären, wie die Materialstruktur mit der Leistung der Geräte zusammenhängt.

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