O Novo Polímero pode melhorar o Desempenho de Células Solares Orgânicas e de Perovskita

Os cientistas da Skoltech e os seus colegas sintetizaram um polímero conjugado totalmente novo para dispositivos eletrónicos orgânicos através de duas reações químicas diferentes e mostraram a influência de ambos os métodos na sua eficiência em baterias solares orgânicas e de perovskita. O artigo foi publicado na revista Macromolecular Chemistry and Physics.

Enquanto o mundo tenta mudar para energia limpa e renovável, como a energia solar, os cientistas trabalham para tornar as células solares mais eficazes na geração de energia elétrica. Entre as abordagens promissoras estão duas tecnologias fotovoltaicas ou fotovoltaicas modernas em rápida expansão com potencial para geração de energia solar sustentável e económica: baterias solares naturais e células solares de perovskita de haleto de chumbo. O seu principal benefício sobre as células solares produzidas em massa à base de silício cristalino é o menor custo de deposição da camada fotoativa da solução, resultando em produções de energia mais baratas, simplificando o aumento de escala com técnicas de impressão e fabricação rolo a rolo, e permitindo o dispositivo fabricação em superfícies adaptáveis ​​e elásticas.

No entanto, existem vários desafios para a proliferação do uso dessas inovações. Para algo, a eficiência das baterias solares naturais ainda tem um longo caminho a percorrer. Isso, sem dúvida, exigirá ajustes na composição da camada fotoativa. Em baterias solares orgânicas, a conversão de luz em energia acontece na camada fotoativa que consiste numa mistura de materiais doadores e também aceitadores — o contribuidor geralmente é um polímero conjugado.

Quanto à perovskita, as baterias solares atingiram a impressionante eficiência de documentos certificados de 25,5%; no entanto, a segurança duradoura continua a ser uma preocupação. Um estudo recente mostrou que a estabilidade do dispositivo pode ser melhorada a cobrir o produto fotoativo perovskita com uma camada de extração de carga que fornece um encapsulamento eficaz. Com alguns materiais, essa capacidade de proteção pode ser cumprida por polímeros conjugados, tornando-se crucial para maximizar a sua qualidade superior, melhorando a sua síntese.

“Os polímeros conjugados têm uma variedade de aplicações essenciais, o que nos motiva a pesquisar maneiras de otimizar a sua síntese para aumentar a sua qualidade superior, o que certamente levaria a um desempenho muito melhor dos dispositivos fotovoltaicos. a nossa pesquisa se concentra num tipo específico de polímeros conjugados contendo a unidade isoíndigo na cadeia do polímero. A descoberta demonstra que ambas as vias sintéticas funcionaram para a síntese de materiais baseados em isoindigo. A reação de Stille deve ter escolha sobre a reação de Suzuki como a última etapa na síntese”, Skoltech Ph.D.a. aluna Marina Tepliakova esclareceu.

Junto com Skoltech Provost Keith Stevenson e os seus colegas no Instituto RAS para Problemas de Física Química, Marina Tepliakova sintetizou um polímero conjugado baseado em um isômero popular de corante índigo, o isoíndigo. O grupo usou duas vias de síntese para gerar polímeros à base de isoíndigo: a reação de policondensação de Stille e Suzuki.

Os polímeros conjugados são produtos orgânicos geralmente com unidades doadoras e aceitadoras alternadas em sua estrutura, razão pela qual são adicionalmente descritos como materiais DADAD. As unidades D e A, referidas como monómeros, são conectadas em cadeias poliméricas usando inúmeras reações de polimerização, cada uma das quais, conta com os monómeros que geram grupos funcionais adicionais específicos para começar. Para polímeros que assumem o sistema isoíndigo como o elemento aceitador, duas vias sintéticas estão prontamente disponíveis. O estudo de pesquisa da equipa Skoltech-IPCP RAS analisou os dois.

Além da distinção do grupo funcional declarado acima, os dois caminhos de síntese diferem em termos de condições de reação necessárias. Como exemplo, o processo de policondensação Suzuki requer uma base inorgânica e monômeros na mistura de fluidos imiscíveis: água e solvente orgânico. O deslocamento do monômero entre as fases é possibilitado por partículas exclusivas conhecidas como catalisadores de transferência. A reação de Stille geralmente ocorre em uma fase e também em níveis elevados de temperatura. Além disso, ambas as reações exigem catalisadores à base de paládio.

“ A nossa primeira observação foi que as condições comuns da reação de Suzuki eram inadequadas para a síntese de monómero baseada em isoindigo”, comentou Marina Tepliakova. “Usando cromatografia líquida de alto desempenho, notamos a decomposição do sinal de monómero em três sinais exclusivos de alguns subprodutos com vários tempos de retenção sob os problemas padrão da Suzuki. Isso indicava que a destruição permanente do monómero à base de isoíndigo acontecia. Então mudamos os problemas de reação até que eles não fossem perigosos para o material. ”

Após alterar a reação de Suzuki, o grupo sintetizou o polímero, utilizando os dois caminhos. Descobriu-se que os materiais resultantes tinham pesos moleculares semelhantes e também propriedades optoeletrónicas. Em seguida, os pesquisadores testaram os exemplos em ferramentas fotovoltaicas ou fotovoltaicas: células solares orgânicas e perovskita. O polímero obtido usando a resposta Stille mostrou desempenho excecional com 15,1% e 4,1% de eficiência em perovskita e baterias solares orgânicas, respetivamente, com o material derivado de Suzuki apresentando 12,6% e 2,7% de eficácia.

A equipa relacionou a diferença de desempenho à presença de “armadilhas de carga” no material adquirido utilizando a reação Suzuki. Essa suposição foi verificada a usar uma técnica chamada ressonância eletrão-spin, que mostrou que o material produzido usando a via de Stille tinha cinco vezes menos problemas.

Ao ajustar a abordagem para a síntese de monómero baseada em isoíndigo, os pesquisadores descobriram uma maneira de fazer material premium com bom desempenho em células fotovoltaicas. Numa experiência de acompanhamento, o grupo sintetiza vários materiais a serem testados em células solares de perovskita. Esse próximo estudo de pesquisa esclarecerá como a estrutura do material se correlaciona com o desempenho do dispositivo.

Originalmente publicado em Scitechdaily.com . Leia o artigo original.

Referência:  Marina M. Tepliakova et al, Impact of Synthetic Route on Photovoltaic Properties of Isoindigo-Containing Conjugated Polymers,  Macromolecular Chemistry and Physics  (2021). DOI: 10.1002 / macp.202100136