Dans les cellules solaires organiques, les polymères à base de carbone convertissent la lumière en fees qui sont transmises à un accepteur. Ce style de matériau a un grand potentiel, mais pour le débloquer, une meilleure compréhension est nécessaire de la manière dont les expenses sont produites et transportées le lengthy des polymères. Des scientifiques de l’Université de Groningen ont maintenant calculé remark cela se produit en combinant des simulations de dynamique moléculaire avec des calculs quantiques et ont fourni des informations théoriques pour interpréter les données expérimentales. Les résultats ont été publiés le 15 mars dans le Journal of Actual physical Chemistry C.
Les cellules solaires organiques sont moreover fines que les cellules classiques à foundation de silicium et elles sont flexibles et probablement plus faciles à fabriquer. Pour améliorer leur efficacité, il est significant de comprendre remark les fees traversent le movie polymère. «Ces films sont constitués d’un donneur d’électrons et d’un accepteur d’électrons», explique Elisa Palacino-González, chercheuse postdoctorale au sein du groupe Théorie de la matière condensée à l’Institut Zernike pour les matériaux avancés de l’université de Groningue (Pays-Bas). «Les expenses sont délocalisées le extended des chaînes polymères enchevêtrées et transférées du donneur à l’accepteur sur une échelle de temps inférieure à 100 femtosecondes. Nous avons donc besoin d’études théoriques et de simulations pour comprendre ce processus.
Transfert de demand
Le système étudié par Palacino-González est composé du semi-conducteur plastique P3HT en tant que donneur et PCBM, un polymère avec une « buckyball » C60, en tant qu’accepteur. «Nous voulions savoir remark les costs sont conduites à travers le matériau pour comprendre comment ce matériau capte et transporte l’énergie. Motor vehicle si nous comprenons cela, il sera peut-être doable de le contrôler. Les études expérimentales du matériau fournissent des informations, mais uniquement sur les processus en vrac. «Par conséquent, nous avons combiné des simulations de dynamique moléculaire pour déterminer le mouvement des molécules dans le matériau avec des calculs de chimie quantique pour modéliser de manière atomistique le polymère donneur, en utilisant la théorie fonctionnelle de la densité dépendante du temps.»
Ces études théoriques ont été réalisées à l’aide d’un polymère donneur composé de douze monomères. “Nous nous sommes concentrés principalement sur le donneur pour étudier remark se produisent les excitations dans le matériau.” Les simulations de dynamique moléculaire montrent le mouvement de l’état fondamental dû aux effets thermiques. Palacino-González a calculé cela pour une période de 12,5 picosecondes, ce qui a suffi pour étudier le transfert de cost femtoseconde.
Expériences
«Et l’étape suivante consistait à superposer le monde quantique à ces molécules», poursuit Palacino-González. Pour ce faire, elle a commencé avec des dimères. “Deux monomères côte à côte dans la chaîne polymère vont interagir, ils se “parlent”. Cela provoque une scission des niveaux d’énergie du duo », explique Palacino-González. Elle a créé une «empreinte» de l’énergie du dimère sous la forme d’un hamiltonien, une matrice qui contient toutes les informations sur un système moléculaire. «Lorsque deux monomères sont alignés de manière parallèle, les deux sont couplés et se parlent. Mais lorsqu’ils sont à des angles de 90 degrés, l’interaction est minime.
Un tel angle forme un coude dans la molécule, ce qui entrave le transfert d’énergie le lengthy de la chaîne polymère. «Une analyse statistique du matériau simulé, composé de 845 polymères, montre qu’environ la moitié d’entre eux sont parfaitement alignés, tandis que l’autre moitié présente principalement un ou deux nœuds», explique Palacino-González. À partir des dimères, elle a calculé l’hamiltonien des 12-mères (composé de 6 dimères). Ses calculs incluaient un nombre variable de plis dans les polymères donneurs 12-mer. «Ces études montrent la distribution d’énergie le lengthy des polymères et nous fournissent un modèle réaliste pour caractériser l’effet de l’environnement créé par les matériaux sur les signaux spectraux des mélanges de polymères accepteurs, qui est directement comparable aux expériences actuelles sur ces matériaux.»
Description réaliste
Bien que le modèle soit limité, auto il ne permet aux monomères d’interagir qu’avec leur voisin immediate, les résultats fournissent des informations importantes sur les résultats expérimentaux. «Nos calculs sont basés sur les premiers principes et c’est la première fois qu’une telle analyse, y compris la description réaliste de l’environnement de mélange, a été faite pour ce matériau. Cela signifie que nous pouvons maintenant aider à expliquer les spectres générés à partir d’études expérimentales avec des mélanges P3HT/PCBM. Par exemple, nous pouvons montrer comment la distribution de taille modifie les spectres générés par l’excitation de la lumière laser», explique Palacino-González. «Nous sommes maintenant en mesure d’examiner le processus de transfert de cost ultrarapide, du donneur à l’accepteur. Cela inspirera des études théoriques sur le photovoltaïque organique et aidera les expérimentateurs à comprendre leurs résultats.