Modellierung superschneller Prozesse in organischem Solarzellenmaterial

In organischen Solarzellen wandeln kohlenstoffbasierte Polymere Licht in Ladungen um, die an verknüpfen Akzeptor weitergegeben werden. Solche Menge von Werkstoff hat großes Potenzial, freilich um es zu nutzbar machen, ist ein besseres Verständnis jener Menge und Weise erforderlich, wie Ladungen erzeugt und weiter jener Polymere transportiert werden. Wissenschaftler jener Universität Groningen nach sich ziehen nun berechnet, wie dies geschieht, während sie Molekulardynamiksimulationen mit Quantenrechnungen kombinierten, und theoretische Erkenntnisse zur Interpretation experimenteller Datenmaterial geliefert. Die Ergebnisse wurden am 15. März im Journal of Physical Chemistry Kohlenstoff veröffentlicht.

Organische Solarzellen sind dünner wie klassische siliziumbasierte Zellen, sie sind flexibel und wahrscheinlich einfacher herzustellen. Um ihre Nutzen zu verbessern, ist es wichtig zu verstehen, wie Ladungen durch den Polymerfilm wandern. „Solche Filme Leben aus einem Elektronendonor und einem Elektronenakzeptor“, erklärt Elisa Palacino-Gonzalez, Postdoktorandin in jener Typ Theory of Condensed Matter am Zernike Institute for Advanced Materials, Universität Groningen (Niederlande). „Die Ladungen werden weiter jener verschlungenen Polymerketten delokalisiert und gen einer Zeitskala von weniger wie 100 Femtosekunden vom Donor zum Akzeptor veräußern. Wir nötig haben dementsprechend theoretische Studien und Simulationen, um diesen Prozess zu verstehen.“

Ladungsübertragung
Dasjenige von Palacino-Gonzalez untersuchte System besteht aus dem Kunststoffhalbleiter P3HT wie Donor und PCBM, einem Polymer mit einem C60-„Buckyball“, wie Akzeptor. „Wir wollten wissen, wie Ladungen durch dies Werkstoff geleitet werden, um zu verstehen, wie dieses Werkstoff Leistungsfähigkeit einfängt und transportiert. Denn wenn wir dies verstehen, ist es vielleicht möglich, es zu kontrollieren.“ Experimentelle Studien des Materials liefern wenige Informationen, jedoch nur extra Massenprozesse. „Von dort nach sich ziehen wir Molekulardynamiksimulationen zur Determiniertheit jener Regung jener Moleküle im Werkstoff mit quantenchemischen Berechnungen kombiniert, um dies Donorpolymer unter Verwendung jener zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie atomistisch zu modellieren.“

Solche theoretischen Untersuchungen wurden mit einem Donorpolymer durchgeführt, dies aus zwölf Monomeren aufgebaut war. „Wir nach sich ziehen uns hauptsächlich gen den Spender konzentriert, um zu untersuchen, wie die Anregungen im Werkstoff zustande kommen.“ Die Molekulardynamiksimulationen zeigen die Regung im Grundzustand aufgrund thermischer Effekte. Palacino-Gonzalez berechnete dies für jedes verknüpfen Zeitraum von 12,5 Pikosekunden, welches ausreichte, um den Femtosekunden-Ladungstransfer zu untersuchen.

Experimente
„Und jener nächste Schrittgeschwindigkeit bestand darin, jene Moleküle mit jener Quantenwelt zu mischen“, fährt Palacino-Gonzalez fort. Dazu begann sie mit Dimeren. „Zwei Monomere nebenher in jener Polymerkette interagieren, sie „reden“ miteinander. Dies führt zu einer Spaltung jener Energieniveaus des Duos“, erklärt Palacino-Gonzalez. Sie erstellte verknüpfen „Fingerabdruck“ jener Leistungsfähigkeit des Dimers in Form eines Hamilton-Operators, einer Matrix, die aus Informationen extra ein molekulares System enthält. „Wenn zwei Monomere parallel in Linie gebracht sind, werden die beiden gekoppelt und sprechen miteinander. Nunmehr wenn sie sich in einem 90-Stufe-Winkel Ergehen, ist die Wechselwirkung minimal.“

Ein solcher Winkel bildet verknüpfen Stauchung im Molekül, jener die Energieübertragung weiter jener Polymerkette gestört. „Eine statistische Untersuchung des simulierten Materials, dies aus 845 Polymeren besteht, zeigt, dass etwa die Hälfte davon perfekt in Linie gebracht sind, während die andere Hälfte meist ein oder zwei Knicke aufweist“, sagt Palacino-Gonzalez. Schluss Dimeren berechnete sie den Hamilton-Operator von 12-meren (dort aus 6 Dimeren). Ihre Berechnungen beinhalteten eine unterschiedliche Reihe von Knicken in den 12-mer-Donorpolymeren. „Solche Studien zeigen die Energieverteilung weiter jener Polymere und liefern uns ein realistisches Normal zur Charakterisierung jener Wirkung jener durch die Materialien erzeugten Umgebung gen die spektralen Signale jener Akzeptor-Polymermischungen, dies unverhohlen mit aktuellen Experimenten an diesen Materialien vergleichbar ist.“

Realistische Schilderung
Obwohl dies Normal eingeschränkt ist, da es nur Monomeren erlaubt, mit ihrem direkten Nachbarn zu interagieren, liefern die Ergebnisse wichtige Einblicke in experimentelle Ergebnisse. „Unsrige Berechnungen basieren gen ersten Prinzipien, und dies ist dies erste Mal, dass eine solche Untersuchung, einschließlich jener realistischen Schilderung jener Mischungsumgebung, für jedes dieses Werkstoff durchgeführt wurde. Damit können wir nun helfen, die aus experimentellen Untersuchungen mit P3HT/PCBM-Mischungen generierten Spektren zu exemplifizieren.

Wir können zum Paradigma zeigen, wie die Größenverteilung die Spektren verändert, die durch Laserlichtanregung erzeugt werden“, sagt Palacino-Gonzalez. „Wir sind jetzt in jener Position, den ultraschnellen Ladungsübertragungsprozess vom Donor zum Akzeptor zu betrachten. Dies wird theoretische Studien zur organischen Photovoltaik bereichern und Experimentatoren helfen, ihre Ergebnisse zu verstehen.‘

Forschungsbericht: Modellierung jener Wirkung von Unordnung in jener zweidimensionalen elektronischen Spektroskopie von Poly-3-hexyltiophen in einer organischen Photovoltaik-Mischung: Ein kombinierter Quanten-/klassischer Verfahrensweise

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Universität Groningen

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