Молекулярные структуры органических полупроводников (вверху), производительность однокомпонентного органического солнечного элемента с использованием укладываемой молекулы (слева) и производительность обоих гетерогенных органических фотокатализаторов (справа). Кредит: Университет Осаки
Использование энергии солнца жизненно важно для чистого, зеленого будущего. Для этого нам нужны оптоэлектронные устройства, такие как солнечные элементы, которые могут эффективно преобразовывать свет в электричество. Теперь команда под руководством Университета Осаки обнаружила, как еще больше повысить эффективность устройства: контролируя, как поглощающие свет молекулы складываются вместе.
Органические оптоэлектронные устройства, такие как органические солнечные элементы, становятся все более востребованными из-за присущих им преимуществ, например, гибкости или легкого веса. Их производительность зависит от того, насколько хорошо их поглощающие свет органические молекулы преобразуют световую энергию в свободные носители заряда, которые переносят электрический ток. Энергия, необходимая для генерации свободных носителей заряда, называется энергией связывания экситона.
Чем ниже энергия связывания экситона, тем легче генерировать свободные носители заряда, и, следовательно, тем выше производительность устройства. Однако мы все еще боремся за разработку молекул с низкой энергией связывания экситона в твердом состоянии.
При более глубоком изучении исследовательская группа обнаружила, что на энергию связи экситонов твердых материалов влияет то, как их молекулы складываются вместе, что называется агрегацией.
«Мы синтезировали два типа похожих звездчатых материалов. молекулы, одна с гибким центром, а другая с жестким центром», — объясняет ведущий автор Хироки Мори. «Отдельные молекулы вели себя одинаково, когда они были диспергированы в растворе, но совершенно по-другому, когда они были сложены вместе в тонкие твердые пленки».
Разница в поведении обусловлена тем, что жесткие молекулы хорошо складываются вместе, как пластины, тогда как гибкие молекулы этого не делают. Другими словами, в твердом состоянии жесткая молекула имеет гораздо более низкую энергию связывания экситона, чем гибкая молекула.
Чтобы проверить это, команда построила однокомпонентный органический солнечный элемент и фотокатализатор, используя каждую молекулу. Солнечный элемент и фотокатализатор, изготовленные из жесткой молекулы, показали впечатляющую производительность, поскольку их низкая энергия связывания экситона привела к высокой генерации свободных носителей заряда.
«Наши выводы о том, что создание молекул, которые хорошо агрегируют, может снизить энергию связи экситона, действительно интересны», — говорит старший автор Ютака Иэ. «Это может дать нам новый способ разработки более эффективных оптоэлектронных устройств».
Выводы группы, опубликованные в Angewandte Chemie International Edition, показывают, что взаимодействие между молекулами в твердом теле важно для производительности устройства и что проектирование молекул для высокопроизводительных оптоэлектронных устройств должно выходить за рамки индивидуальных молекулярных свойств.
Этот новый способ уменьшения энергии связывания экситона может лечь в основу движущих механизмов и архитектуры следующего поколения оптоэлектронных устройств.
Дополнительная информация: Хироки Мори и др., Органический полупроводник на основе дибензо[g,p]хризена с малой энергией связывания экситона посредством молекулярной агрегации, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI: 10.1002/anie.202409964
Информация о журнале: Angewandte Chemie International Edition
Предоставлено Университетом Осаки
