Erster theoretischer Rahmen für hocheffiziente Photovoltaik-Parameter durch Strukturmodifikation mit Benzothiophen

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 20148 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Heutzutage bemühen sich Forscher ständig darum, die Leistung solarbasierter Geräte zu verbessern, mit dem Ziel, die Rolle photovoltaischer Materialien in modernen optoelektronischen High-Tech-Anwendungen zu stärken. Angesichts der aktuellen Energiebedingungen auf der ganzen Welt wird die Forschung in dieser Zeit angesichts ihres bemerkenswerten Beitrags in organischen Solarzellen (OSCs) von Fulleren- auf Nicht-Fulleren-Elektronenakzeptoreinheiten umgelenkt. Aus diesem Grund haben wir sieben neuartige Nicht-Fulleren-fusionierte Ringelektronenakzeptor-Chromophore (MD2–MD8) aus DOC2C6-2F durch Strukturanpassung mit unterschiedlichen Akzeptoren an endverkappten Einheiten entworfen. Bei B3LYP wurde eine DFT-Studie durchgeführt, um die optoelektronischen Eigenschaften der neu maßgeschneiderten Chromophore zu ermitteln. Verschiedene Analysen wie Grenzmolekülorbitale (FMOs), Übergangsdichtematrix (TDM), Zustandsdichte (DOS), Bindungsenergie (Eb), Reorganisationsenergie, Leerlaufspannung (Voc) wurden durchgeführt, um die photovoltaische Reaktion von MD2 zu verstehen –MD8. Die Verringerung der Bandlücken (1,940–1,571 eV) mit einem breiteren Absorptionsspektrum (725,690–939,844 nm in Chloroform) sowie eine höhere Ladungsübertragungsrate vom HOMO zum LUMO wurden in Derivaten im Vergleich zu MR1 untersucht (Egap = 1,976 eV, λmax = 738,221 nm). ) außer MD7. Darüber hinaus wurden in allen Derivaten kleinere Werte von Eb (0,252–0,279 eV) untersucht als die der Referenz (0,296 eV). Diese niedrigeren Bindungsenergiewerte von MD2–MD8 deuten auf eine höhere Anregungsdissoziationsrate mit einer höheren Ladeübertragungsrate als bei MR1 hin, was durch DOS- und TDM-Analysen weiter gestützt wird. Darüber hinaus wurde auch die geringste Reorganisationsenergie in den oben genannten Verbindungen für Löcher mit Elektron untersucht. Darüber hinaus wurde für alle untersuchten Verbindungen eine gute photovoltaische Reaktion von Voc festgestellt, was darauf hindeutet, dass diese Verbindungen für die zukünftige Synthese von OSCs geeignet sind.

Die OSC-Technologien haben sich in Bezug auf Architektur, Verarbeitungstechniken und Halbleitermaterialien weiterentwickelt1,2. Die Solarzellen, die eine vielversprechende Zukunft als nachhaltiger und sauberer Ersatz für fossile Brennstoffe haben, sind organische Solarzellen (OSCs). Aufgrund der tiefgreifenden Vorteile in der Herstellung, des geringen Gewichts, der Flexibilität und der geringeren Kosten erregt diese Photovoltaik-Technologie seit Jahrzehnten die Aufmerksamkeit der industriellen und akademischen Gemeinschaft3. Im aktuellen Szenario ist der vielversprechendste Ansatz zur Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie die Verwendung von Solarzellen unter Nutzung des photoelektrischen Effekts. Früher galt Silizium aufgrund seiner höheren Leistungsumwandlungseffizienz (PCE), Wärmekonstanz und einfachen Zugänglichkeit als effizientes Halbleitermaterial in Solarzellen. Heutzutage ist die Verwendung von Silizium in Solarzellen auf Siliziumbasis aufgrund bestimmter Faktoren wie hoher Kosten, Sprödigkeit und fester Energieniveaus eingeschränkt4. In jüngster Zeit haben sich Bulk-Heterojunction-OSCs (BHJ)5 aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften wie Flexibilität, Halbtransparenz, einstellbare Energieniveaus, Wirtschaftlichkeit und potenzielle kommerzielle Anwendungen6 als attraktive Kandidaten für globale grüne Energiequellen erwiesen. Die OSCs bestehen aus einer Mischung aus Donor- und Akzeptormolekülen, die über ein Rückgrat direkt miteinander verbunden sind. OSCs mit Fulleren-Akzeptoren bieten attraktive Vorteile, darunter verbesserte PCE und höhere Ladungsmobilität7. Trotz dieser Vorteile wurden bestimmte Einschränkungen im Zusammenhang mit Fulleren-Akzeptoren festgestellt, die ihre Verwendung einschränken8. Um solche Mängel von Fullerenderivaten zu überwinden, wurde großen Wert auf Nicht-Fulleren-Akzeptor-Materialien (NFAs)9 mit einem Akzeptor-Donor-Akzeptor-Rückgrat (A–D–A) gelegt10. Die A–D–A-Diversität ist aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie breiten und effizienten Absorptionsbanden und einstellbaren Energieniveaus von besonderem Interesse11. Die A–D–A-Kombination besteht aus einer zentralen Donor-Kerneinheit, die durch chemische Bindung mit zwei seitlich elektronenarmen endverkappten Akzeptoren verbunden ist. Die Verkleinerung der HOMO-LUMO-Bandlücke hat sich als die effektivste Strategie zur Verbesserung der PCE- und Photovoltaikeigenschaften von nicht auf Fulleren basierenden OSCs erwiesen12. Dies kann durch die Auswahl geeigneter Elektronendonatoren und entziehender Teile erfolgreich erreicht werden13.

Zwei wichtige Klassen von Nicht-Fulleren-Akzeptoren wurden kürzlich untersucht, wie Perylendiimid (PDI)14,15 und kondensierte Ringelektronenakzeptoren (FREAs)16. PCEs von bis zu 9 % wurden in OSCs mit PDI-Nicht-Fulleren-Akzeptor berichtet. Andererseits haben OSCs, die die Konfiguration nichtkovalent fusionierter Ringelektronenakzeptoren (NC-FREAs)17 beibehalten, faszinierende Eigenschaften aufgrund ihrer einfachen strukturellen Modulation18,19, starken optischen Absorption und einer erhöhten PCE von bis zu 14 %20. Unter den FREAs ist ITIC21 der erfolgreichste und am häufigsten diskutierte Nicht-Fulleren-Akzeptortyp mit Indacenodithienothiophen vom Leitertyp als zentralem Kern und einer A-D-A-Architektur, die es der BHJ-Schicht ermöglicht, die Ladungsmobilität zu verbessern. Im Vergleich zu herkömmlichen Fulleren-basierten Akzeptoren behalten ITIC-OSCs einen PCE von bis zu 13 %22. NFAs besitzen vergleichsweise bessere photovoltaische Eigenschaften als ihre Fulleren-Gegenstücke, dazu gehören eine höhere optische Absorption, eine vielversprechende Lichteinfangfähigkeit und einstellbare Energieniveaus23,24. Es wird allgemein beobachtet, dass eine Änderung der molekularen Eigenschaften wie Lichtabsorptionsfähigkeit, Kristallinität, Lichtabsorption und Energieniveaus durch strukturelle Anpassung die Geräteleistung effektiv verbessern kann25,26.

Unter Berücksichtigung der attraktiven Eigenschaften von OSCs auf Basis kondensierter Ring-Nicht-Fulleren-Akzeptoren wurden sieben neue NC-FREAs vom Typ A–D–A (MD2–MD8) aus dem Stamm DOC2C6-2F entwickelt. Am Referenzchromophor wurden endverschlossene Akzeptormodifikationen vorgenommen und deren Einfluss auf das elektronische und optische Verhalten neu entwickelter Chromophore untersucht. Es wird erwartet, dass diese neu entwickelten Derivate eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung hochwirksamer OSC-Zellmaterialien spielen werden.

Ziel der aktuellen Studie ist es, die photovoltaische Reaktion organischer Verbindungen vom NFA-Typ zu untersuchen. Zu diesem Zweck wird DOC2C6-2F27 als Ausgangsmolekül ausgewählt, das aus einer zentralen leiterartigen 1,4-Bis((2-ethylhexyl)peroxy)benzol-Kerneinheit besteht, die mit der Donoreinheit (D) verbunden ist, sowie zwei terminalen Elektroneneinfangeinheiten Akzeptor (A)-Komponenten. Um die sterische Hinderung und den Rechenaufwand zu überwinden, die durch lange Alkylketten in DOC2C6-2F verursacht werden, wird C8H17O, das an der Donoreinheit substituiert ist, durch eine Methylgruppe (–CH3) ersetzt, wie in Abb. 1 gezeigt. Nach dieser winzigen strukturellen Anpassung wird die Synthese durchgeführt Der Eltern-Chromophor mit der A-D-A-Konfiguration wird in „DOC2C6-2F“ umbenannt und in „MR1“ als Referenz-Chromophor mit der gleichen ADA-Konfiguration gemeldet.

Modifikation von DOC2C6-2F in MR1 durch Substitution der -CH3-Gruppe.

Wir haben die terminalen Akzeptoren von DOC2C6-2F durch verschiedene bekannte endverkappte Akzeptoren ersetzt, um die elektronischen Eigenschaften von OSCs zu erkunden und zu verbessern. MD2–MD8-Moleküle mit A–D–A-Konfiguration, wie in Abb. 2 und Abb. S1 dargestellt. Die optimierten Strukturen von MR1 und seinem Derivat MD2–MD8 sind in Abb. 3 dargestellt.

Die Skizzenkarte der Referenz und ihrer abgeleiteten Verbindungen.

Die optimierten Strukturen aller theoretisch entworfenen Verbindungen. Die Abbildungen wurden mit Hilfe von GaussView 5.0 und Gaussian 09 Version D.01 (https://gaussian.com/g09citation/) erstellt.

Der FMO-Ansatz gilt als einflussreicher Ansatz zur Bestimmung der elektronischen Eigenschaften von OSCs28. Das HOMO und LUMO werden gemäß der Valenzbandtheorie als Valenz- und Leitungsbänder betrachtet. Der Energieunterschied zwischen HOMO und LUMO wurde als Bandlücke (Eg)29,30,31,32 aufgeklärt. Die Effizienz hängt vernünftigerweise vom Eg ab, da eine niedrige Energiebandlücke auf eine starke photovoltaische Reaktion einer Verbindung schließen lässt und umgekehrt33. Berechnete Energien und ihr Eg für entworfene Chromophore sind in Tabelle 1 dargestellt.

In MR1 wird 1,976 eV Eg mit – 5,176 und – 3,200 eV HOMO- und LUMO-Energien festgestellt. Interessanterweise wurde bei den entworfenen Chromophoren (MD2–MD6 und MD8) eine Abnahme von Eg festgestellt, mit Ausnahme von MD7, bei dem Eg größer als die Referenzverbindung (MR1) ist. Die Energien für HOMO betragen − 5,158, − 5,217, − 5,180, − 5,161, − 5,210, − 5,125 und − 5,116 eV für MD2-MD8, während sie für LUMO − 3,200, − 3,366, − 3,646, − 3,438 betragen. − 3,382, − 3,582, − 3,137 und − 3,176 eV und das Eg zwischen ihnen wird als 1,792, 1,571, 1,742, 1,779, 1,628, 1,988 bzw. 1,940 eV berechnet (Tabelle 1). In MD2 wird ein Rückgang von Eg (1,792 eV) aufgrund der Einführung eines Thiophenrings und des Ersatzes von Fluor (–F) durch Chlor (–Cl)-Gruppen an den terminalen Akzeptoreinheiten festgestellt34. Ein weiterer Grund ist das Vorhandensein eines Thiophenrings, wodurch die Konjugation verstärkt wird und eine Verringerung von Eg beobachtet wird. Das kleinste Eg (1,571 eV) wird für MD3 unter allen entwickelten Verbindungen festgestellt, in denen das –Cl durch stark elektronenziehende Nitrogruppen (–NO2) an den Akzeptorteilen verändert ist. Diese Verringerung der Bandlücke ist auf den größeren –I-Effekt von –NO2 im Vergleich zu den –Cl-Gruppen (NO2 > Cl) zurückzuführen. Ein Anstieg von Eg (1,742 eV) wird in MD4 beobachtet, in dem die -NO2-Gruppe mit der Trifluormethylgruppe (–CF3) ausgetauscht wird. Aufgrund des Austauschs von –CF3 mit Methylacetat (–COOCH3) an den Akzeptoreinheiten zeigt MD5 im Vergleich zu –CF3 eine leichte Vergrößerung der HOMO/LUMO-Bandlücke (1,779 eV). Dieser Anstieg von Eg ist auf die geringere elektronenziehende Wirkung (−I) von –COOCH3 im Vergleich zur –CF3-Gruppe zurückzuführen. Es wurde festgestellt, dass die EHOMO-ELUMO-Bandlücke (1,628 eV) in MD6 verringert ist. Dies liegt an der höheren − I-Wirkung von –CN im Vergleich zu –CF3 und –COOCH3. Aufgrund von –CN wird auch die Ladungsübertragungsrate erhöht, was zu einem niedrigeren Eg der Orbitale führt. Der höchste Eg (1,988 eV) wurde für MD7 unter allen entworfenen Molekülen gefunden, da ein Fragment (Pthalonitril) der Akzeptoreinheiten entfernt wurde. Aus diesem Grund wird die Konjugation des Systems verringert, wodurch sich die Bandlücke vergrößert. Beispielsweise wird festgestellt, dass MD8 (1,940 eV) geringer ist als MD7, da an den peripheren Akzeptoreinheiten ein Thiophenring eingebaut ist. Dadurch wird die Konjugation im Molekül erhöht und der Energieunterschied zwischen den Orbitalen verringert. Der insgesamt absteigende Trend von Eg verläuft jedoch in der folgenden Reihenfolge: MD7 > MR1 > MD8 > MD2 > MD5 > MD4 > MD6 > MD3. Darüber hinaus ist in Abb. 4 das Schema der elektronischen Wolke auf der Oberfläche35 von MR1 und MD2–MD8 dargestellt. Das niedrigste Eg zwischen den Orbitalen und eine effiziente Ladungsmobilität vom Donor zu den endverkappten Akzeptoren werden im MD3-Chromophor im Vergleich zu allen anderen untersuchten untersucht Chromophore, die ein wirksames photovoltaisches Material zu sein schienen.

Die FMOs (HOMOs & LUMOs) von MR1 und MD2–MD8 wurden mit Hilfe der Avogadro-Software, Version 1.2.0, erstellt. (http://avogadro.cc/). Alle ausgegebenen Dateien berechtigter Verbindungen wurden mit Gaussian 09 Version D.01 (https://gaussian.com/g09citation/) erstellt.

Der DOS-Ansatz wurde durchgeführt, um den effektiven Beitrag jedes Fragments zum gesamten molekularen System mit einer bestimmten Anzahl elektronischer Zustände zu bestimmen36. Um den Ladungsübertragungspfad vorherzusagen, haben wir unsere Verbindungen in zwei Abschnitte unterteilt, nämlich den zentralen Donorkern (D) und die terminalen Akzeptoren (A). Die DOS-Analyse der Referenz (MR1) und ihrer Derivate wurde unter Verwendung des DFT-Niveaus B3LYP mit dem Basissatz 6-31G(d,p) zur Unterstützung der FMO-Studie durchgeführt (Abb. 4). DOS-Diagramme sind in Abb. 5 dargestellt.

DOS-Spektren der untersuchten Verbindungen (MR1 und MD2–MD8), erstellt mit PyMOlyze 1.1 Version (https://sourceforge.net/projects/pymolyze/). Alle ausgegebenen Dateien der berechtigten Verbindungen wurden mit Gaussian 09 Version D.01 (https://gaussian.com/g09citation/) berechnet.

Wie in Abb. 4 dargestellt und auch aus Abb. 5 ersichtlich, ist die elektronische Wolke aufgrund des starken elektronenziehenden Charakters der terminalen Akzeptorgruppen um HOMO und LUMO verteilt. In ähnlicher Weise trägt der LUMO-Spender 97,1, 97,2, 97,1, 97,1, 97,2, 97,2 und 97 % zum HOMO bei, während 8,2, 7,6, 8,4, 8,2, 8, 11,5 und 8,4 % zum LUMO in MD2–MD8 entsprechend beitragen. Während der Akzeptorbeitrag 2,9, 2,8, 2,9, 2,9, 2,8, 2,8 und 3 % zum HOMO beträgt, während er zum LUMO 91,8, 92,4, 91,6, 91,8, 92, 88,5 bzw. 91,6 % für MD2–MD8 beträgt. Anhand dieser Ergebnisse geht aus den DOS-Piktogrammen klar hervor, dass die HOMO-Orbitale auf dem spendenden Teil positioniert sind, der mit einem grün gefärbten Peak dargestellt ist, der bei –6,5 eV liegt. In ähnlicher Weise befinden sich LUMOs hauptsächlich auf der Akzeptoreinheit in den oben genannten Chromophoren mit einem höheren Peak bei 1,5 eV. Insgesamt zeigt das Trennungsmuster der Ladungsverteilung, dass in MD3 eine große Ladungsmenge von Donor- zu Akzeptoreinheiten verschoben wird, was beweist, dass es der günstigste Kandidat für Nicht-Fulleren-OSC-Anwendungen ist.

Um die Wirksamkeit von OSCs zu bestimmen, werden ihre optoelektronischen Fähigkeiten durch die Analyse von Absorptionsspektren bewertet37. Um ihre photophysikalischen Eigenschaften zu charakterisieren, wurden Absorptionsspektren der genannten Chromophore (MR1 und MD2–MD8) in Chloroform und in der Gasphase auf dem theoretischen Niveau B3LYP/6-31G(d,p) berechnet. Zahlreiche Parameter wie λmax, Anregungsenergie, Oszillatorstärken (f) und Molekülorbitalbeiträge sind in Tabelle 2 dargestellt, während das UV-sichtbare Absorptionsspektrum der genannten Moleküle in Abb. 6 dargestellt ist. Im Allgemeinen führen starke Elektronenakzeptoreinheiten zu einem Anstieg der λmax mit niedrigeren Anregungsenergien als die Referenz MR138. Dies erleichtert die Anregung zwischen HOMO und LUMO und führt zu einer höheren Ladungsübertragung, was letztendlich zu einer höheren Effizienz der Leistungsumwandlung führt. Der simulierte λmax des Referenzchromophors in Chloroformlösungsmittel (738,221 nm) stimmt gut mit dem experimentell aufgezeichneten λmax (743 nm)27 des Referenz-MR1 überein, was auch die geeignete Auswahl der Funktion für die DFT-Studie anzeigt.

UV-sichtbare Absorptionsspektren der untersuchten Moleküle, deren Namen in den obigen Grafiken zu sehen sind. Diese Diagramme werden mit der Version Origin Pro 8.5 (https://originpro.informer.com/8.5/) erstellt. Alle ausgegebenen Mengen berechtigter Verbindungen wurden mit Gaussian 09 Version D.01 (https://gaussian.com/g09citation/) berechnet.

Der λmax-Bereich reicht von 939,844 bis 725,690 nm für berechtigte Chromophore in Chloroform. Unter allen entwickelten Molekülen weist MD3 die maximale Absorptionswellenlänge von 939,844 nm auf, die der stark elektronenaufnehmenden endverkappten Nitrogruppe zugeschrieben wird. Niedrigere Eg- und niedrigere Übergangsenergien, beide Faktoren tragen zu einer größeren Ladungsmobilität und einer hohen Leistungsumwandlungseffizienz bei38. Folglich wurde der niedrigere Wert von λmax im Fall von MD7 (725,690 nm) mit einer Anregungsenergie von 1,709 eV beobachtet. Alle untersuchten Chromophore verfügen über einen höheren Absorptionsbereich als Referenz MR1 (738,221 nm), mit Ausnahme von MD7. Aus Tabelle 2 geht hervor, dass MD2, MD4, MD5, MD6 und MD8 maximale Absorptionswerte von 814,186, 840,742, 819,893, 906,649 bzw. 744,158 nm haben. Die Ergebnisse zeigen, dass λmax aller untersuchten Verbindungen im sichtbaren Bereich liegt. Die Klassifizierung berechtigter Chromophore im Hinblick auf die Abnahme von λmax in Chloroform ist MD3 > MD6 > MD4 > MD5 > MD2 > MD8 > MR1 > MD7.

In der Gasphase behielten alle untersuchten Chromophore nahezu die gleiche Reihenfolge und Eigenschaften wie in Chloroform bei. In der Gasphase liegt der berechnete λmax aller eingetragenen Chromophore im Bereich von 900,067–698,109 nm. Es wird ein geringfügiger Rückgang der λmax-Werte der berechtigten Moleküle in der Gasphase festgestellt, der möglicherweise auf den Lösungsmitteleffekt zurückzuführen ist, wie in Tabelle 3 gezeigt. In der Gasphase nimmt die maximal absorbierte Wellenlänge in der folgenden Reihenfolge ab: MD3 > MD6 > MD4 > MD2 > MD5 > MD8 > MR1 > MD7. Der obige Trend lässt darauf schließen, dass MD3, da es im Absorptionsspektrum von Chloroform und der Gasphase das rotverschobene Material ist, ein effizientes OSC-Material wäre.

Ein weiterer entscheidender Faktor, der die Elektronenmobilität berechtigter Chromophore beeinflussen kann, ist die Anregungsenergie39. Works kommt zu dem Schluss, dass Moleküle mit geringer Anregungsenergie eine verbesserte Ladungsmobilität, einen einfachen Übergang vom Valenz- zum Leitungsband und einen höheren PCE aufweisen. Die Anregungsenergiewerte aller entworfenen Moleküle liegen mit Ausnahme von MD7 unter denen der Referenzverbindung MR1. Die niedrigste berechnete Anregungsenergie von MD3 wird dem starken elektronenziehenden Charakter der Nitrogruppe zugeschrieben.

Die vorangegangene Diskussion kommt zu dem Schluss, dass alle speziell für MD3 entwickelten Moleküle eine geringere Anregungsenergie und eine höhere Absorption aufweisen und daher ein hervorragendes Potenzial für die Verwendung in Nicht-Fulleren-OSCs haben.

Die Reorganisationsenergie (\(\lambda\)) ist eine entscheidende Größe bei der Bestimmung der Ladungsübertragungseigenschaften zwischen molekularen Strukturen beim Entwurf effizienter Materialien für OSCs. Die potenziellen OSCs hängen hauptsächlich von der Reorganisationsenergie ab, bei der es sich eigentlich um die Elektronen- und Lochtransportfähigkeit verschiedener Materialien handelt. Im Allgemeinen weisen Materialien mit guter Ladungstransportfähigkeit erhebliche optoelektronische Eigenschaften auf40. Reorganisationsenergie und Ladungsübertragungsfähigkeit stehen in einem umgekehrten Verhältnis zueinander, sodass niedrigere \(\lambda\) höhere Ladungsmobilitäten verursachen41. Daher haben Materialien mit höheren Ladungsmobilitäten letztendlich ein niedrigeres \(\lambda\) mit weit verbreitetem Potenzial für die Verwendung in Nicht-Fulleren-OSCs. Die Reorganisationsenergie variiert mit bestimmten Faktoren wie der Art des Moleküls und seiner Konfiguration, wird jedoch in größerem Maße von der Geometrie der Kationen und Anionen beeinflusst. Die Elektronenmobilität (λe) hängt mit der anionischen Geometrie zusammen, während Löcher im Akzeptormaterial durch die kationische Geometrie dargestellt werden. Hauptsächlich repräsentiert \(\lambda\) den Ladungstransfer von der Donor- zur Akzeptoreinheit42. Insgesamt wird \(\lambda\) in zwei Unterteilungen eingeteilt; interne Reorganisationsenergie (λint) und externe Reorganisationsenergie (λext). Die erste, dh λint, hat ihre Bedenken mit internen Strukturänderungen begründet, während λext sich mit dem Polarisationseinfluss befasst. In dieser Studie wurde der Faktor der externen Reorganisation nicht berücksichtigt, da die externe Umgebung nicht viel dazu beiträgt, sodass nur λint im Fokus steht43.

In dieser Arbeit haben wir theoretisch die Reorganisationsenergien von MR1 und MD2–MD8 unter Verwendung der Gleichungen berechnet. (1) und (2) sowie die Ergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Aus Tabelle 4 geht klar hervor, dass λe der Referenzverbindung MR1 − 0,001702 eV beträgt. Die berechneten Elektronenmobilitäten aller berechtigten Chromophore (MD2–MD8) betragen 0,000152, 0,000054, 0,000133 bzw. 0,000129, 0,000123, 0,00014,7 bzw. 0,000182 eV. Die Referenzverbindung MR1 weist eine niedrigere Reorganisationsenergie des Elektrons (λe) auf, was auf die höheren Elektronentransportfähigkeiten zwischen Donor- und Akzeptorteil hinweist. Unter allen Derivaten hat MD3 den kleinsten Wert von λe, was die höhere Elektronentransportrate zwischen HOMO und LUMO angibt. Ebenso weisen MD6 und MD5 aufgrund ihres kleineren λe-Werts deutlich bessere Elektronenmobilitäten auf. Die λe-Werte aller berechtigten Chromophore nehmen in der folgenden Reihenfolge ab: MD8 > MD2 > MD7 > MD4 > MD5 > MD6 > MD3 > MR1.

Ebenso beträgt der theoretisch berechnete λh von MR1 − 0,004788 eV. Die MD2–MD8 zeigen entsprechend λh-Werte von − 0,000132, − 0,000266, − 0,000264 und − 0,000187, − 0,224763, 0,000025 und 0,000029 eV. Unter allen ist MD3 aufgrund seines kleinsten Wertes von λh − 0,000266 eV das Molekül mit der besten Fähigkeit zum Lochtransport. Die absteigende Reihenfolge von λh aller berechtigten Chromophore ist MD6 > MR1 > MD7 > MD4 > MD5 > MD2 > MD8 > MD3.

Die Gesamtdiskussion kommt zu dem Schluss, dass MD3 das Molekül mit den besten Elektronen- und Lochtransportfähigkeiten ist und daher der beste Kandidat für zukünftige Anwendungen in organischen Nicht-Fulleren-Solarzellen zu sein scheint.

Die Leerlaufspannung ist ein wichtiger Parameter und gibt Aufschluss über die Leistung und Funktionsweise von Halbleitermaterialien wie OSCs44. Es stellt die Gesamtstromstärke dar, die jedem optisch aktiven Gerät bei Nullspannung entnommen werden kann45. Bestimmte Einflussfaktoren, die den Voc beeinflussen, sind: Lichtquelle, Lichtintensität, externe Fluoreszenzfähigkeit, Rekombination von Ladungsträgern und verschiedene Umweltmerkmale46. Um eine bessere Voc zu erreichen, sollte der LUMO-Wert des Akzeptors im Vergleich zum HOMO der Donor-Einheit größer sein, da er die Bandlücke verringert47. Hier in diesem Manuskript haben wir die Ergebnisse des LUMO unserer maßgeschneiderten Moleküle mit dem HOMO des bekannten Polymers PBDB-T48 mit −4,936 eV als EHOMO des Donorpolymers in Beziehung gesetzt. Die Ergebnisse sind in Abb. 7 zusammengefasst. Die berechneten Voc-Ergebnisse von MR1 und MD2 –MD8 mittels Scharber-Gleichung49 sind in Tabelle 5 tabellarisch aufgeführt.

Hier ist E das Energieniveau, e gibt die auf jedem Molekül vorhandene Ladung an und 0,3 ist die empirische Konstante.

Schematische Darstellung von Voc für untersuchte Moleküle, gezeichnet mit Hilfe von Powerpoint. Alle ausgegebenen Dateien berechtigter Verbindungen wurden mit Gaussian 09 Version D.01 (https://gaussian.com/g09citation/) erstellt.

Der Voc-Wert für MR1 und MD2–MD8 beträgt 1,436, 1,27, 0,99, 1,198, 1,254, 1,054, 1,499 bzw. 1,46 V. Es besteht eine gute Harmonie zwischen dem simulierten (0,85 V)27 und dem experimentellen Wert (1,436 V) des Referenzchromophors, was die geeignete Auswahl der Funktion für die rechnerische Analyse unterstützt. Der berechnete Voc-Wert der Verbindung MD3 beträgt 0,99 V. Der Voc-Wert von MR1 in Bezug auf HOMOdonor-LUMOMR1 beträgt 1,436 V. MD7 zeigte den höchsten Voc-Wert (1,499 V). Mit Ausnahme von MD7 und MD8 zeigten alle entworfenen Moleküle niedrigere Voc-Werte als das Referenzchromophor MR1. Die absteigende Reihenfolge von Voc der entworfenen Chromophore in Bezug auf HOMOdonor-LUMO-Akzeptor ist MD7 > MD8 > MR1 > MD2 > MD5 > MD4 > MD6 > MD3. Die Bandlücke ist eine intrinsische Eigenschaft von Halbleitern und hat letztendlich einen direkten Einfluss auf die photovoltaische Reaktion einer Verbindung. Die Bandlückenenergie ist die Energie, die für die Anregung vom höchsten besetzten Molekülorbital (HOMO) zum niedrigsten unbesetzten Molekülorbital (LUMO) erforderlich ist. Eine geringe Bandlücke bedeutet, dass die Anregung einfacher ist oder weniger Energie erforderlich ist, um Elektronen vom HOMO zum LUMO anzuregen. Wenn die Bandlücke gering ist, haben die meisten Photonen mehr Energie als nötig, um Elektronen über die Bandlücke anzuregen und so mehr Strom mit höherer Effizienz und großer photovoltaischer Reaktion zu erzeugen. Hierin berichten wir über unsere vollständig entwickelten Moleküle, die Akzeptor-Charakter haben und durch Mischen mit Polymer (PBDB-T) vom Donor-Typ zur Herstellung von Bulk-Heterojunction-Geräten verwendet werden. Als sich ein Donor-Akzeptor-Komplex bildete, stellten wir fest, dass unsere vollständig entwickelten Chromophore im Vergleich zum LUMO des Donorpolymers eine niedrige LUMO-Energie aufweisen. Daher wird es im Vergleich zum LUMO des Donorpolymers einen besseren Übergang vom HOMO des Donorpolymers zum tief liegenden LUMO unserer entworfenen Moleküle geben, wobei mehr Elektronen herausgeschlagen werden und somit die Effizienz erhöht wird. Das Orbitalenergiediagramm in Bezug auf PBDB-T aller Moleküle ist in Abb. 6 dargestellt.

Die Interpretation von Übergangsprozessen50 und das Ausmaß des intramolekularen Ladungstransfers innerhalb eines konjugierten Systems können mithilfe der Übergangsdichtematrix (TDM) effizient bestimmt werden. Diese Analyse liefert eine bildliche Darstellung der Wechselwirkungen zwischen Donor- und Akzeptoreinheiten im angeregten Zustand51 mit dreidimensionalen Diagrammen mit ausreichender Farbdifferenzierung, d. h. blauen Bereichsanzeigen52. Darüber hinaus werden die Elektron-Loch-Lokalisierung und das Ausmaß der elektronischen Bewegungen in den spezifischen Regionen der berechtigten Chromophore (MR1 und MD2–MD8) angegeben41. Das Verhalten von Übergängen berechtigter Chromophore wurde mit dem Theorieniveau B3LYP/6-31G(d,p) untersucht. In allen untersuchten Verbindungen fehlt die \(\uppi\)-Konjugation und stattdessen bleibt eine A-D-A-Konfiguration erhalten (Abb. 8). Die H-Atome werden aufgrund ihres im Vergleich zu den anderen Atomen geringen Einflusses bei Übergängen vernachlässigt. In Abb. 8 sind die Ergebnisse der TDM-Analyse für alle untersuchten Verbindungen dargestellt.

TDM für die berechtigten Verbindungen (MR1 und MD2–MD8). Diese wurden mit Hilfe der Software Multiwfn 3.7 (http://sobereva.com/multiwfn/) gezeichnet. Alle ausgegebenen Dateien der entworfenen Verbindungen wurden mit Gaussian 09 Version D.01 (https://gaussian.com/g09citation/) erstellt.

Um die Berechnungen in unserem vorliegenden Bericht zu vereinfachen, haben wir alle Strukturen (MR1 und MD2–MD8) in zwei verschiedene Bereiche eingeteilt, nämlich Donor (D) und Akzeptor (A). Aus den TDM-Diagrammen geht hervor, dass die Elektronenkohärenz auf den endverkappten Akzeptorteilen im Vergleich zur Donoreinheit weitgehend vorhanden ist. Den Ergebnissen der TDM-Wärmekarten zufolge wurde beobachtet, dass die elektronische Ladung in allen Derivaten ohne Einfangen effizient diagonal vom Donor zum Akzeptor übertragen wird, was eine Ladungskohärenz zeigt. Dies macht deutlich, dass Donor- und endverkappte Akzeptoreinheiten die Elektronendichte effizient spenden bzw. entziehen. Die deutlichste Ladungsverschiebung wird in der Verbindung MD3 beobachtet. Dies könnte auf das Vorhandensein einer starken elektronenziehenden Nitrogruppe (–NO2) an den Akzeptoreinheiten zurückzuführen sein. Daher können wir aus der effizienten Ladungsübertragungsreaktion schließen, dass der MD3-Chromophor in Zukunft bequem für die Entwicklung von Solarzellengeräten verwendet werden könnte.

Eine weitere Besonderheit von TDMs ist die Bindungsenergie (Eb), die zur Beurteilung der photovoltaischen Reaktion von OSCs verwendet wird. Es ist ein wichtiger Parameter für die Abschätzung der Dissoziationskapazität von Exzitonen und der Wechselwirkung der kolumbianischen Kräfte, da mit abnehmendem Eb auch die kolumbianischen Kräfte zwischen Loch und Elektron abnehmen54. Beide Faktoren führten zu einer höheren Dissoziation der Exzitonen im angeregten Zustand55,56. Das Eb der untersuchten Moleküle MR1 und MD2–MD8 wird aus der Differenz von Egap (LUMO–HOMO) und der Optimierungsenergie (Eopt) 43 berechnet, wie in Gleichung dargestellt. (2).

In Gl. (2), Eb ist die Bindungsenergie, EL-H ist die Bandlücke zwischen LUMO und HOMO und Eopt stellt die erste Singulett-zu-Singulett-Anregungszustandsenergie dar57. Die berechneten Ergebnisse sind in Tabelle 6 aufgeführt.

Gemäß Tabelle 6 hat MD3 den niedrigsten Wert der Bindungsenergie (0,252 eV) und damit die höchste Anzahl an Ladungen abgegeben. Im Vergleich zu MR1 weisen andere Moleküle ein kleineres Eb auf, was eine sinnvolle Begründung für weitere Berechnungen darstellt. Im Allgemeinen gelten Strukturen mit 1,9 eV oder weniger Eb als effiziente OSC-Materialien mit beeindruckender Voc. Interessanterweise besitzen alle unsere untersuchten Moleküle Eb-Werte kleiner als 1,9 eV. Die absteigende Reihenfolge der untersuchten Chromophore im Zusammenhang mit Eb lautet MR1 > MD7 > MD8 > MD2 > MD4 > MD5 > MD6 > MD3. Es ist also klar, dass MD3 unter allen untersuchten Chromophoren das Molekül mit dem niedrigsten Eb-Wert ist, was eine größere Dissoziation in freie Elektronen mit überlegenen photoelektronischen Eigenschaften rechtfertigt, die es als wirksames Material für OSCs beschreiben.

In dieser Studie wurden hochentwickelte quantenchemische Verfahren eingesetzt, um die photovoltaischen, photophysikalischen und elektronischen Fähigkeiten der untersuchten Derivate zu untersuchen. Durch die Durchführung struktureller Modifikationen im Referenzmolekül (MR1) durch endverschlossene Akzeptoreinheiten werden sieben neue Verbindungen (MD2–MD8) entworfen. Diese terminale strukturelle Anpassung hat sich als die wichtigste Taktik erwiesen, um beeindruckende Photovoltaikverbindungen mit verbesserten optoelektronischen Eigenschaften für effiziente OSCs zu erhalten. Im Vergleich zur Referenz (1,976 eV) wird eine Verringerung der Energielücke der entworfenen Moleküle (1,571–1,988 eV) mit effizienter Elektronentransferrate vom HOMO zum LUMO beobachtet, was durch DOS-Daten weiter gestützt wird. Darüber hinaus zeigten die entworfenen Verbindungen eine Rotverschiebung im sichtbaren Bereich (939,844–725,690 nm) im Chloroform-Lösungsmittel im Vergleich zur Referenz MR1 (λmax = 738,221 nm). Darüber hinaus wird die Voc auch unter Berücksichtigung von \({\text{HOMO}}_{\mathbf{P}\mathbf{B}\mathbf{D}\mathbf{B}-\mathbf{T}}-{ geschätzt. \text{LUMO}}_{\text{Akzeptor}}\). Die Bindungsenergie (Eb) der entworfenen Systeme ist kleiner als die des MR1-Moleküls, was die höhere Dissoziationsrate der Exzitonen erklärt und zu einer hohen Leistungsumwandlungseffizienz der Fulleren-freien Akzeptorgruppen in OSCs führt.

Die gesamten theoretischen Berechnungen der aktuellen Arbeit wurden unter Verwendung des Pakets Gaussian 0958 berechnet. Um das Design von Chromophoren vom Nicht-Fulleren-Akzeptor-Typ zu visualisieren und DFT-basierte Berechnungen durchzuführen, wurde Gauss View 5.059 verwendet. TD-DFT-Berechnungen wurden zur Optimierung des Referenzchromophors (MR1) durchgeführt, indem verschiedene DFT-Level wie B3LYP60, CAM-B3LYP61, MPW1PW9162, M0663, M06.2X64 mit dem 6-31G(d,p)-Basissatz angepasst wurden. Die berechnete maximal absorbierte Wellenlänge des Referenzchromophors MR1 bei den oben genannten Funktionalen wurde mit den experimentellen Ergebnissen verglichen, um eine gültige theoretische Methode auszuwählen. Die unter Verwendung dieser Funktionen erhaltenen λmax-Werte der Referenzverbindung betragen entsprechend 738,211, 439,380, 579,338, 565,028 und 446,436 nm, während der experimentell aufgezeichnete λmax des Ausgangschromophors DOC2C6-2F 743 nm beträgt27. Funktionelles B3LYP mit 6-31G(d,p) zeigte die beste Übereinstimmung der DFT mit den experimentellen UV-sichtbaren Ergebnissen von MR1, wie in Abb. 8 dargestellt, und wurde für die bevorstehende rechnerische Analyse ausgewählt.

Um die Wirksamkeit der eingesetzten Chromophore zu visualisieren, werden außerdem die elektronischen Berechnungen der TDM-, UV-Vis-, Eb-, Voc-, EHOMO-ELUMO-Bandlückenanalyse und Reorganisationsenergien unter Verwendung des gleichen B3LYP/6-31G(d,p)-Niveaus berechnet der Theorie.

Insgesamt wird \(\lambda\) in zwei Hauptbereiche eingeteilt. Die erste, also die interne Reorganisation, beschäftigt sich mit internen Strukturvariationen, während sich λext mit dem Polarisationseinfluss in der externen Umgebung befasst. In dieser Studie wurde der Faktor der externen Reorganisation nicht berücksichtigt, da die externe Umgebung nicht viel dazu beiträgt, sodass nur λint im Fokus steht43.

Für die Berechnungen der Reorganisation von Elektron (λe) und Loch (λh) gemäß den Gleichungen. (3) und (4) werden verwendet.

Während \({E}_{0}^{-}\) und \({E}_{0}^{+}\) die Energien neutraler Moleküle über Anionen- und Kationen-optimierte Strukturen sind, gilt \({E }_{-}\) und \({E}_{+}\) stellt anionische und kationische Energie dar, \({E}_{-}^{0}\) und \({E}_{+} ^{0}\) sind die Energien kationischer und anionischer Strukturen über Strukturen neutraler Moleküle (Abb. 9).

Vergleich zwischen DFT- und experimentellen UV-sichtbaren Ergebnissen von MR1 bei verschiedenen Konzentrationen im Chloroform-Lösungsmittel. Diese Diagramme werden mit der Version Origin Pro 8.5 (https://originpro.informer.com/8.5/) erstellt. Alle ausgegebenen Mengen berechtigter Verbindungen wurden mit Gaussian 09 Version D.01 (https://gaussian.com/g09citation/) berechnet.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

Mao, J. et al. Graphen-Aerogele für effiziente Energiespeicherung und -umwandlung. Energieumwelt. Wissenschaft. 11, 772–799 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Doumon, NY et al. Photostabilität von Fulleren- und Nicht-Fulleren-Polymer-Solarzellen: Die Rolle des Akzeptors. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen. 11, 8310–8318 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Nian, L. et al. Ternäre Nicht-Fulleren-Polymer-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 13,51 % und einem rekordhohen Füllfaktor von 78,13 %. Energieumwelt. Wissenschaft. 11, 3392–3399 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Lu, L. et al. Jüngste Fortschritte bei Massen-Heteroübergangs-Polymersolarzellen. Chem. Rev 115, 12666–12731 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Zhang, K. et al. Effiziente großflächige organische Solarzellen, verarbeitet durch Rakelbeschichtung mit einem einkomponentigen grünen Lösungsmittel. Solar Rrl 2, 1700169 (2018).

Artikel Google Scholar

Yao, H. et al. Organische Photovoltaikzellen mit einem Wirkungsgrad von 14,7 %, ermöglicht durch aktive Materialien mit einer großen elektrostatischen Potentialdifferenz. Marmelade. Chem. Gesellschaft. 141, 7743–7750 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Yu, G., Gao, J., Hummelen, JC, Wudl, F. & Heeger, AJ Polymer-Photovoltaikzellen: Verbesserte Effizienz durch ein Netzwerk interner Donor-Akzeptor-Heteroübergänge. Science 270, 1789–1791 (1995).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Gao, J. et al. Über 16,7 % Wirkungsgrad der ternären organischen Photovoltaik durch Einsatz von zusätzlichem PC71BM als Morphologieregler. Wissenschaft. China Chem. 63, 83–91 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Mahmood, A. et al. Ein neuartiger Akzeptor auf Thiazolbasis für fullerenfreie organische Solarzellen. Farbstoffe Pigm. 149, 470–474 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Khan, MU et al. Entwicklung sternförmiger Akzeptormaterialien auf Subphthalocyaninbasis mit vielversprechenden photovoltaischen Parametern für Nicht-Fulleren-Solarzellen. ACS Omega 5, 23039–23052 (2020).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Luo, Z. et al. Die Veränderung der Positionen der Chlor- und Bromsubstitution an der Endgruppe ermöglicht Hochleistungsakzeptoren und effiziente organische Solarzellen. Adv. Energie Mater. 10, 2002649 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Khan, MU et al. Neuartige W-förmige, mit Sauerstoffheterocyclen kondensierte Nicht-Fulleren-Akzeptoren auf Fluorenbasis: Erster theoretischer Rahmen für die Entwicklung umweltfreundlicher organischer Solarzellen. Energy Fuels 35, 12436–12450 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Adnan, M. et al. Feinabstimmung der optoelektronischen Eigenschaften von Triphenylamin-basierten Donormolekülen für organische Solarzellen. Z. Phys. Chem. 231, 1127–1139 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, J. et al. Schnelle Ladungstrennung in einer organischen Nicht-Fulleren-Solarzelle mit geringer Antriebskraft. Nat. Energie 1, 1–7 (2016).

Artikel ADS Google Scholar

Zhan, X. et al. Ein hochmobiles Elektronentransportpolymer mit breiter Absorption und seine Verwendung in Feldeffekttransistoren und Vollpolymer-Solarzellen. Marmelade. Chem. Soc. 129, 7246–7247 (2007).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Lin, Y. & Wang, JZ-. G. Zhang, H. Bai, Y. Li, D. Zhu, X. Zhan. Adv. Mater 27, 1170 (2015).

Mahmood, A., Tang, A., Wang, Physik. Chem. Chem. Physik. 21, 2128–2139 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Jia, J. et al. Die Wirkung von Endkappengruppen in Nicht-Fulleren-Akzeptoren vom ADA-Typ auf die Geräteleistung organischer Solarzellen. Wissenschaft. China Chem. 60, 1458–1467 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, J. et al. Leistungssteigerung von Nicht-Fulleren-Akzeptoren durch Seitenketten-Konjugationsstrategie. Adv. Mater. 29, 1702125 (2017).

Artikel Google Scholar

Kan, B. et al. Ein chlorierter kleinmolekularer Akzeptor mit geringer Bandlücke für organische Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 14,1 % und geringem Energieverlust. Wissenschaft. China Chem. 61, 1307–1313 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Lin, Y. et al. Ein Elektronenakzeptor, der Fullerene für effiziente Polymersolarzellen herausfordert. Adv. Mater. 27, 1170–1174 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Fei, Z. et al. Ein alkylierter Indacenodithieno-[3,2-b]-Thiophen-basierter Nichtfulleren-Akzeptor mit hoher Kristallinität, der Single-Junction-Solarzellenwirkungsgrade von mehr als 13 % bei geringen Spannungsverlusten aufweist. Adv. Mater. 30, 1705209 (2018).

Artikel Google Scholar

Cheng, P., Li, G., Zhan, X. & Yang, Y. Organische Photovoltaik der nächsten Generation auf Basis von Nicht-Fulleren-Akzeptoren. Nat. Photonics 12, 131–142 (2018).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Yuan, J. et al. Organische Single-Junction-Solarzelle mit über 15 % Wirkungsgrad unter Verwendung eines Fusionsring-Akzeptors mit elektronenarmen Kern. Joule 3, 1140–1151 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Liang, N., Jiang, W., Hou, J. & Wang, Z. Neue Entwicklungen bei Nicht-Fulleren-Kleinmolekül-Akzeptoren für Polymersolarzellen. Mater. Chem. Vorderseite. 1, 1291–1303 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, R. et al. Die rationale Abstimmung der molekularen Wechselwirkung und der Ausrichtung des Energieniveaus ermöglicht eine leistungsstarke organische Photovoltaik. Adv. Mater. 31, 1904215 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Huang, H. et al. Nichtkovalent kondensierte Elektronenakzeptoren mit Nahinfrarotabsorption für organische Hochleistungssolarzellen. Nat. Komm. 10, 1–10 (2019).

ADS Google Scholar

Khan, MU et al. Entwicklung triazatruxenbasierter Donormaterialien mit vielversprechenden photovoltaischen Parametern für organische Solarzellen. RSC Adv. 9, 26402–26418 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Janjua, MRSA et al. Einfluss des π-Konjugationsspacers (CC) auf die ersten Hyperpolarisierbarkeiten von Polymerketten, die Polyoxometallatcluster als Seitenkettenanhänger enthalten: Eine DFT-Studie. Berechnen. Theor. Chem. 994, 34–40 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Khan, MU et al. Vorhersage nichtlinearer optischer Eigenschaften zweiter Ordnung von D-π-A-Verbindungen, die neuartige Fluorenderivate enthalten: Ein vielversprechender Weg zu riesigen Hyperpolarisierbarkeiten. J. Cluster Sci. 30, 415–430 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Khan, MU et al. Quantenchemisches Design von Farbstoffen auf Indolo-[3, 2, 1-jk]-Carbazol-Basis für hocheffiziente nichtlineare optische Eigenschaften. Chem. Physik. Lette. 719, 59–66 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Adnan, M., Mehboob, MY, Hussain, R. & Irshad, Z. In-silico-Design effizienter C-förmiger Nicht-Fulleren-Akzeptormoleküle mit Chinoidstruktur mit bemerkenswerten photovoltaischen Eigenschaften für organische Hochleistungssolarzellen. Optik 241, 166839 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Khalid, M., Imran, M., Braga, AAC & Akram, MS Molekulare Entwicklung von Indenoinden-3-ethylrodanin-Akzeptoren mit A2–A1–D–A1–A2-Architektur für vielversprechende fullerenfreie organische Solarzellen. Wissenschaft. Rep. 11, 1–15 (2021).

Artikel Google Scholar

Khalid, M., Lodhi, HM, Khan, MU & Imran, M. Strukturparameter-modulierte nichtlineare optische Amplitude von Akzeptor-π-D-π-Donor-konfigurierten Pyrenderivaten: Ein DFT-Ansatz. RSC Adv. 11, 14237–14250 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Khalid, M. et al. Grundlagenstudie der elektronischen und nichtlinearen optischen Eigenschaften von AD-π-A- und D-A-D-π-A-konfigurierten Verbindungen, die neuartige Chinolin-Carbazol-Derivate enthalten. RSC Adv. 10, 22273–22283 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Adeel, M. et al. Erforschung CH⋯F- und CF⋯H-vermittelter supramolekularer Anordnungen in fluorierten Terphenylen und theoretische Vorhersage ihrer nichtlinearen optischen Reaktion dritter Ordnung. RSC Adv. 11, 7766–7778 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Khan, MU et al. Erster theoretischer Rahmen für nichtlineare optische Farbstoffe auf Triphenylamin-Dicyanvinylen-Basis: Strukturelle Modifikation von π-Linkern. J. Phys. Chem. C 122, 4009–4018 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Ans, M., Iqbal, J., Eliasson, B. & Ayub, K. Optoelektronische Eigenschaften von Nicht-Fulleren-kondensierten undecacyclischen Elektronenakzeptoren für organische Solarzellen. Berechnen. Mater. Wissenschaft. 159, 150–159 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Raza, AR et al. Eine einfache mikrowellengestützte Synthese und Strukturaufklärung von (3R)-3-Alkyl-4, 1-Benzoxazepin-2, 5-dionen durch kristallographische, spektroskopische und DFT-Studien. Spektrochem. Acta Teil A Mol. Biomol. Spectrosc. 230, 117995 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Khalid, A. et al. Entwicklung von Nicht-Fulleren-Akzeptoren auf Benzothiadiazol-Basis mit hoher Leerlaufspannung und höherem LUMO-Niveau, um die Effizienz organischer Solarzellen zu steigern. Optik 228, 166138 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Ans, M. et al. Entwicklung dreidimensionaler (3D) Nicht-Fulleren-Kleinmolekül-Akzeptoren mit effizienten Photovoltaik-Parametern. ChemistrySelect 3, 12797–12804 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Khan, MU et al. Entwicklung dreidimensionaler kreuzförmiger Akzeptormaterialien auf der Basis eines Spirobifulleren-Kerns mit vielversprechenden photovoltaischen Eigenschaften für hocheffiziente organische Solarzellen. Int. J. Quantum Chem. 120, e26377 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Hussain, R. et al. Molekulartechnik von AD-C-D-A-konfigurierten kleinen molekularen Akzeptoren (SMAs) mit vielversprechenden photovoltaischen Eigenschaften für hocheffiziente fullerenfreie organische Solarzellen. Opt. Quant. Elektron. 52, 1–20 (2020).

Artikel Google Scholar

Irfan, M. et al. Design von niedermolekularen Donormaterialien vom Donor-Akzeptor-Donor-Typ (D–A–D) mit effizienten Photovoltaik-Parametern. Int. J. Quantum Chem. 117, e25363 (2017).

Artikel Google Scholar

Tang, S. & Zhang, J. Design von Donoren mit breiten Absorptionsbereichen und geeigneten Grenzmolekülorbitalen, um typischen Akzeptoren durch Substitution an Oligo (Thienylenvinylen) in Richtung Solarzellen zu entsprechen. J. Comput. Chem. 33, 1353–1363 (2012).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Saleem, R., Farhat, A., Khera, RA, Langer, P. & Iqbal, J. Design von niedermolekularen Nicht-Fulleren-Akzeptoren mit Cyanobenzol-Kern für Photovoltaik-Anwendungen. Berechnen. Theor. Chem. 1197, 113154 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Bai, H. et al. Akzeptor-Donor-Akzeptor-Kleinmoleküle auf Basis von Indacenodithiophen für effiziente organische Solarzellen. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen. 6, 8426–8433 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Zheng, Z. et al. PBDB-T und seine Derivate: Eine Familie von Polymerdonoren ermöglicht einen Wirkungsgrad von über 17 % in der organischen Photovoltaik. Mater. Heute 35, 115–130 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Scharber, MC et al. Entwurfsregeln für Donatoren in Massensolarzellen mit Heteroübergang – Auf dem Weg zu einem Energieumwandlungswirkungsgrad von 10 %. Adv. Mater. 18, 789–794 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Ans, M., Ayub, K., Bhatti, IA und Iqbal, J. Entwurf von Nicht-Fulleren-Akzeptoren auf Indacenodithiophen-Basis mit einer kombinierten Donor-Akzeptor-Brücke für organische Solarzellen. RSC Adv. 9, 3605–3617 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Gangala, SK, Paramasivam, M., Dyaga, B. & Rao, VJ Abstimmung der Energieniveaus von „Z“-förmigen kleinen molekularen Nicht-Fulleren-Elektronenakzeptoren auf Basis von Dipyrrolo [2, 3-b: 2′, 3′-e ] Pyrazin-2, 6 (1H, 5H)-dion-Akzeptoreinheit für organische Photovoltaikanwendungen: eine gemeinsame experimentelle und DFT-Untersuchung zum Effekt der Fluorierung. Neue J. Chem. (2019).

Arshad, MN, Shafiq, I., Khalid, M. & Asiri, AM Untersuchung des faszinierenden photovoltaischen Verhaltens für konjugierte AD-A-Systeme auf der Basis von kondensiertem Indacenodithiophen: Eine DFT-Modellstudie. ACS Omega 7, 11606–11617 (2022).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hussain, R. et al. Verbesserung der photovoltaischen Eigenschaften von Donormaterialien auf N,N-Diethylanilin-Basis durch überbrückende Kernmodifikationen für effiziente Solarzellen. ChemistrySelect 5, 5022–5034 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Khalid, M. et al. Steigerung der NLO-Wirksamkeit durch die Entwicklung von Nicht-Fulleren-Molekülen durch die Modifikation von Akzeptoreinheiten in ICIF2F: Ein neuer theoretischer Ansatz. RSC Adv. 12, 13412–13427 (2022).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dkhissi, A. Exzitonen in organischen Halbleitern. Synth. Getroffen. 161, 1441–1443 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Farhat, A., Khera, RA, Iqbal, S. & Iqbal, J. Optimierung der optoelektronischen Eigenschaften von Subphthalocyanin (SubPc)-Derivaten für Photovoltaikanwendungen. Opt. Mater. 107, 110154 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Köse, ME Bewertung der Akzeptorstärke in Thiophen-gekoppelten Donor-Akzeptor-Chromophoren für das optimale Design organischer Photovoltaikmaterialien. J. Phys. Chem. A 116, 12503–12509 (2012).

Artikel PubMed Google Scholar

Frisch, MJ & Clement, FR Gaussian 09, Revision a. 01, MJ Frisch, Gw Trucks, Hb Schlegel, Ge Scuseria, Ma Robb, Jr Cheeseman, G. Scalmani, V Barone, B Mennucci, Petersson GA, Nakatsuji H, Caricato M, Li X, Hratchian HP, Izmaylov AF, Bloino J, Zhe 20–44 (2009).

Gandomi, F., Vakili, M., Darugar, V., Takjoo, R. & Tayyari, SF Optimierte Molekülgeometrie, Schwingungsanalyse und Fe-O-Bindungsstärke von Tris(α-cyanoacetylacetonat)-Eisen (III): Ein Experiment und theoretisches Studium. J. Mol. Struktur. 1248, 131444 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Civalleri, B., Zicovich-Wilson, CM, Valenzano, L. & Ugliengo, P. B3LYP ergänzt um einen empirischen Dispersionsterm (B3LYP-D*), angewendet auf Molekülkristalle. CrystEngComm 10, 405–410 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Yanai, T., Tew, DP & Handy, NC Ein neues hybrides Austausch-Korrelations-Funktional unter Verwendung der Coulomb-Abschwächungsmethode (CAM-B3LYP). Chem. Physik. Lette. 393, 51–57 (2004).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Adamo, C. & Barone, V. Austauschfunktionale mit verbessertem Fernverhalten und adiabatischen Verbindungsmethoden ohne einstellbare Parameter: Die Modelle m PW und m PW1PW. J. Chem. Physik. 108, 664–675 (1998).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Bryantsev, VS, Diallo, MS, Van Duin, AC & Goddard, WA III. Auswertung von Dichtefunktionalen der B3LYP-, X3LYP- und M06-Klasse zur Vorhersage der Bindungsenergien neutraler, protonierter und deprotonierter Wassercluster. J. Chem. Theorieberechnung. 5, 1016–1026 (2009).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Zhao, Y. & Truhlar, DG Die M06-Reihe von Dichtefunktionalen für Hauptgruppen-Thermochemie, thermochemische Kinetik, nichtkovalente Wechselwirkungen, angeregte Zustände und Übergangselemente: zwei neue Funktionale und systematische Tests von vier Funktionalen der M06-Klasse und zwölf weiteren Funktionalen. Theoretisch. Chem. Acc. 120, 215–241 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Dr. Muhammad Khalid dankt HEC Pakistan für die finanzielle Unterstützung (Projekt-Nr. 20-14703/NRPU/R&D/HEC/2021). Die Autoren danken auch dem AACB von IQ-USP, Brasilien, für die Zusammenarbeit und Zusammenarbeit, insbesondere für seine kontinuierliche Unterstützung und die Bereitstellung von Rechenlaboreinrichtungen. MA dankt dem Dekanat für wissenschaftliche Forschung an der King Khalid University in Saudi-Arabien für das Forschungsgruppenprogramm unter der Fördernummer RGP2/83/43.

Institut für Chemie, Khwaja Fareed University of Engineering & Information Technology, Rahim Yar Khan, 64200, Pakistan

Muhammad Khalid, Rameez Ahmed und Iqra Shafiq

Zentrum für theoretische und rechnergestützte Forschung, Khwaja Fareed University of Engineering & Information Technology, Rahim Yar Khan, 64200, Pakistan

Muhammad Khalid, Rameez Ahmed und Iqra Shafiq

Abteilung für Chemieingenieurwesen, College of Engineering, King Khalid University, Abha, Saudi-Arabien

Muhammad Arshad

Abteilung für Wissenschaft und Technologie, Fachbereich Chemie, Pädagogische Universität, Lahore, Pakistan

Muhammad Adnan Asghar

Fakultät für Chemie, Universität Mianwali, Mianwali, 42200, Pakistan

Khurram Shahzad Munawar

Fachbereich Chemie, Fakultät für Naturwissenschaften, King Khalid University, PO Box 9004, Abha, 61413, Saudi-Arabien

Muhammad Imran

Abteilung für Grundlagenchemie, Institut für Chemie, Universität São Paulo, Av. Prof. Lineu Prestes, 748, São Paulo, 05508-000, Brasilien

Atualpa AC Braga

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Korrespondenz mit Muhammad Khalid.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Khalid, M., Ahmed, R., Shafiq, I. et al. Erster theoretischer Rahmen für hocheffiziente Photovoltaik-Parameter durch Strukturmodifikation mit Benzothiophen-eingebauten Akzeptoren in Dithiophen-basierten Chromophoren. Sci Rep 12, 20148 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24087-8

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Eingegangen: 09. Juni 2022

Angenommen: 09. November 2022

Veröffentlicht: 23. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24087-8

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