Organik güneş pillerinde elektron mesafeleri ile verim artırma

Güneş panelleri son yıllarda oldukça fazla gelişme göstermiş ve geleneksel silikon bazlı güneş panelleri dışında birçok varyasyon ortaya çıkmıştır. Bunların içinden ve belki de en heyecan verici olanlarından biri organik güneş pilleridir (OSC). Çünkü geleneksel güneş panellerinin üretim ve bakım sırasında karşılaştığı birçok zorluk ve dezavantajlara sahip değildir. Bilim insanları şimdi bu OSC’leri daha verimli hale getirmenin ve ticari kullanıma yaklaştırmanın bir yolunu buldular.

Organik güneş pilleri, iki organik yarı iletkenden oluşan toplu-heteroeklem (BHJ) yapısından oluşan aktif bir katmandan yapılır: bir elektron taşıyıcı malzeme (alıcı) ve bir delik taşıyıcı malzeme (verici). Bu yapı, güneş panellerine geniş alanlı üretim, hafiflik, esneklik ve büyük ölçekli üretim potansiyeli gibi nitelikler kazandırmaktadır. Bu özellikler de agrivoltaik gibi pratik uygulamalarda kullanılabileceğini göstermektedir.^1,2

Organik yarı iletkenler küçük bir dielektrik sabitine (ε_r) sahiptir ve bu nedenle fotoeksitasyonla oluşan delik-elektron çiftleri Coulomb çekim kuvveti aracılığıyla bir moleküle sıkıca bağlanır. Eksitonlar, bir kristalde uyarılmış bir elektron ve ilişkili bir delik tarafından oluşturulan hareketli bir enerji konsantrasyonudur ve eksitonları serbest yük taşıyıcılarına ayırmak için gereken enerjiye eksiton bağlanma enerjisi (E_b) denir.

Bu denklemde e temel yük, ε₀ vakum dielektrik sabiti ve R moleküldeki ortalama elektron-delik mesafesidir. Yarı iletkenlerin E_b değeri azaltılabilirse, yığın-heterojonksiyon OSC’lerde üretilen eksitonlar, daha küçük bir donör/alıcı enerji ofseti nedeniyle daha etkili bir şekilde ayrışacaktır. Denkleme göre, organik yarı iletkenlerin E_b değerinin, foto-uyarılmış durumdaki R değerinin artmasıyla azalması beklenmektedir. Organik yarı iletkenlerde foto-uyarılmış yük ayrımı genellikle bir elektronun bir moleküldeki en yüksek yüklü moleküler orbitalden (HOMO) en düşük yüksüz moleküler orbitaline (LUMO) geçiş yaptığı S₁ uyarılmış durumu ile gerçekleşir. Bu nedenle bilim insanları, yarı iletken moleküllerin HOMO ve LUMO’sunun uzamsal dağılımının ayrılmasıyla artan R’nin elde edilebileceğini düşünmüşlerdir.

Bilim insanları, R’nin ayarlanmasının, π-konjuge ana çerçeveye karşı spiro-sübstitüe bir birimde dik bir yönelimin yapısal özelliğini kullanarak elde edilebileceğini varsaydı. Bu moleküler tasarımın etkinliğini araştırmak için, bu çalışmada temsili bir kaynaşmış halka tipi indasenoditiyenotiyofen bazlı postfulleren elektron alıcısı (ITIC) çerçevesi seçildi. Bu nedenle, bitiyofen ve bifenil iskeletlerinin ITIC içine spiro-sübstitüe edildiği yeni ITIC tabanlı fullerensiz alıcılar (NFAs) SpiroT-DCI ve SpiroF-DCI tasarlandı.

SpiroT-DCI ve SpiroF-DCI’nın termal özellikleri azot atmosferi altında termogravimetrik analiz (TGA) kullanılarak değerlendirilmiştir. SpiroT-DCI ve SpiroF-DCI’nin %5 ağırlık kaybında termal ayrışma sıcaklıkları sırasıyla 319 ve 338 °C’dir. Bu değerler, bu bileşiklerin OSC’lerdeki uygulamalar için yeterli termal kararlılığa sahip olduğunu göstermektedir.

Bu yeni bileşiklerle hücrelerde çeşitli güç dönüşüm verimlilikleri (PCE’ler), akım yoğunlukları ve voltaj çıkışları elde edildi. SpiroT-DCI maksimum %9,08 PCE’ye sahipken, diğer hücrelerde SpiroF-DCI %8,04 ve ITIC %8,63 ile geride kalmıştır. Akım yoğunluğu da 16,39 mAcm^-2 ile SpiroT-DCI hücrelerinde en yüksekti. SpiroF-DCI hücreleri ve ITIC hücreleri sırasıyla 13,93 mAcm^-2 ve 14,73 mAcm^-2 elde etmeyi başarmıştır. Bununla birlikte, her üç hücrenin nihai voltajı, 0,92 V ile en yüksek voltajı yöneten SpiroF-DCI hücreleri ile çok daha yakın eşleşti. SpiroT-DCI hücreleri 0,91 V ve ITIC hücreleri 0,9 V gerilim üretmeyi başarmıştır.¹

Bu sonuçlar, moleküldeki elektron deliği mesafesini artırmak için fulleren moleküler orbitallerinin (FMO’lar) ayarlanmasının, organik yarı iletkenlerin eksiton bağlanma enerjisini azaltmak için etkili bir moleküler tasarım olduğunu göstermektedir; bu da daha yüksek performanslı OSC’lerin ve daha yeşil ve daha sürdürülebilir bir dünyanın geliştirilmesinin önünü açabilir.

Kaynaklar

1. Kai Wang, Seihou JINNAI, Takumi Urakami, Hirofumi Sato, Masahiro Higashi, Sota Tsujimura, Yasuhiro Kobori, Rintaro Adachi, Akira Yamakata, Yutaka Ie, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202412691. 
2. https://techxplore.com/news/2024-09-molecular-big-efficiency-gains-solar.html

Samed Hajdar