DISEÑO MOLECULAR DE COPOLÍMEROS CONJUGADOS DONOREACEPTORES BASADOS EN DERIVADOS DE DITIOFENO Y TIENOPIRROLEDIONA PUENTEADOS CON C, SI Y N. UNIDADES PARA CÉLULAS SOLARES ORGÁNICAS Luis Alfonso Flores Galván Camilo Andrés Mendoza Ruiz Henderson Oviedo Karen Vanesa Peñates Universidad de córdoba Montería córdoba Facultad de ciencias básica 2017

INTRODUCCIÓN  Las células solares orgánicas basadas en polímeros conjugados han atraído gran atención en los últimos años ya que tienen muchas ventajas, tales como bajo costo, peso ligero, y la capacidad soluble para fabricar dispositivos flexibles de gran superficie  Ejemplo la célula solar heterojunción a granel (BHJSC). Las capas activas en BHJSC típicamente consisten en dos componentes un polímero como donador de electrones y un material aceptor de electrones mezclado en una red interpenetrante

 El rendimiento de estas celdas con polímero a aumentado al pasar de los años. Por ejemplo el la eficiencia de conversión de potencia (PCE) de ~9% se logra utilizando un gap de banda baja de donor-acceptor (DeA) en la estructura BHJ de células solares  El PCE del dispositivo de células solares orgánicas es proporcional la tensión de circuito (Voc), la corriente de cortocircuito (Jsc) y el factor de llenado (FF). El Jsc depende de las eficiencias de la absorción de luz de la activa, difusión de excitones y disociación en el donador / aceptor interfaz, transporte de carga en la capa activa y carga recogida en los electrodos.

Detalles computacionales  la optimización geométrica de los copolímeros (modelos de dímeros) en el estado fundamental fueron totalmente optimizados empleando la teoría funcional de la densidad (DFT) con B3LYP, PBE0, BHandLYP y B3P86 funcionales en los niveles de la base de 6-31G (d)  No hay frecuencias imaginarias en este nivel para todos los estructuras de optimización, lo que indica que todas las las estructuras son los mínimos globales sobre la superficie de energía potencial y estructuras estables

 En los cálculos, el alquilo de cadena lateral de los copolímeros fueron reemplazados por el átomo de hidrógeno, porque simplemente ayuda a mejorar la solubilidad sin influir en las propiedades electrónicas  Basado en la geometría optimizada de los modelos de siguiente figura (1) MPWK / 6-31G (d) niveles en la brecha

RESULTADOS Y DISCUSIÓN  1. Los niveles de energía de HOMO y las brechas de banda  Las energías orbitales moleculares fronterizas y la brecha energética (Ej.) los valores tienen estrecha relación con la eficiencia de células solares [17, 24]. En para predecir el rendimiento de las células solares realizadas por los los donantes de polımeros, es sumamente importante calcular las propiedades electrónicas de las moléculas frente a la mediciones sobre estas propiedades.

 los resultados calculados de los niveles de energía de HOMO en PBE0 / 6-31G (d) (5.28, 5.49 y 5.24 eV para Pa1, Pa2 y Pa3, respectivamente) coinciden con los valores experimentales de polímeros (5,29 [50], 5,44 [32] y 5,16 eV [32] para Pa1, Pa2 y Pa3, respectivamente). Además, elegimos una amplia clase de híbridos funcionales incluyendo B3LYP, BH y HLYP y B3P86 a 6-31G (d) en un modelo de dímero.  método TDDFT basado en la geometría optimizada de los modelos de dímeros las brechas de banda de polímeros fueron calculados y estimados por TD-MPWK a 6-31G (d) conjunto de bases. Los intervalos de banda óptica calculados (Egopt) de Pa1ePa3 son 1,79 eV (692 nm), 1,83 eV (679 nm) y 1,83 eV (679 nm), respectivamente

 2.Diseño molecular de donantes poliméricos  Con el fin de diseñar un material polímero altamente eficiente de célula solar, se han propuesto varios modelos para estimar la polímero en BHJSC  el polímero debe ser susceptible de ser aireado; por lo tanto, el nivel de energía de HOMO debe ser inferior al umbral de oxidación del aire (aproximadamente 5,27 eV)  En segundo lugar, la energía LUMO nivel del polímero debe colocarse por encima de la energía LUMO nivel del aceptor (es decir, PC61BM o PC71BM) en al menos 0,3 eV a garantizar la transferencia eficiente de electrones desde el polímero al aceptor

 Finalmente, la brecha de banda óptima, considerando el espectro de emisión solar y el circuito abierto potencial de la célula solar resultante, debe oscilar entre 1,2 y 1,9 eV.  El objetivo de esta investigación es la resistencia a la extracción de electrones en polímeros conjugados DeA y intentar mejorar la eficiencia del dispositivo fotovoltaico. . Se calcularon tres copolímeros de DeA Pa1, Pa2 y Pa3. Los niveles de energía de HOMO por el método PBE0 / 6-31G (d) y las brechas de banda por el método TD-MPWK / 6-31G (d)

 ESPECTRO DE ABSORCIÓN  Un donante de copolímero es un componente clave para absorber la dispositivo de célula solar.  La cobertura de absorción de los donantes del espectro solar ejerce influencias cruciales en el Jsc. La Fig. 3 muestra los espectros de absorción simulados (considerando los primeros 30 excitados estados)

 Las transiciones electrónicas calculadas, la fuerza del oscilador (f> 0,5 para Da1eDa3 y Dc1eDc3 yf> 0,45 para Db1eDb3 fueron teniendo en cuenta) y las configuraciones principales de todos estos dímeros también se enumeran en la siguiente Tabla

 MOVILIDAD DE AGUJEROS DE POLÍMEROS  En la célula solar polimérica, la alta movilidad de los agujeros para los donantes la capa de transporte de agujeros contribuye a mejorar el transporte de carga eficiencia (para aumentar JSC y aumentar FF) de los dispositivos. agujero de la movilidad se evalúa por la relación de Einstein  Aquí e, D, KB y T representa la carga de electrones, la carga coeficiente de difusión, constante de Boltzmann y temperatura, respectivamente. Para un sistema d-dimensional, D se define como la relación entre el desplazamiento cuadrático medio y el tiempo de difusión

 La teoría de Marcus es un método ampliamente utilizado para tasa de transferencia de carga :  Donde h, t, y l son la constante de Planck, integral de transferencia de carga y energía de reorganización total, respectivamente. Por lo tanto, k se rige por los dos parámetros importantes: la energía de reorganización total l y la integral de transferencia de carga intermolecular

CONCLUSIÓN  Los enfoques de PBE0 / 6-31G (d) y TD-MPWK / 6-31G (d) con el modelo de dímero se han utilizado para estudiar teóricamente el y las características ópticas para un serie DeA polímeros conjugados. Los resultados muestran que los métodos que utilizamos en este reproducen los niveles de energía HOMO y la banda óptica las lagunas de Pa1ePa3 muy bien. Además, las propiedades de transporte de orificios de los nuevos polímeros diseñados y los correspondientes polımero (Pa1ePa3) se investigan comparativamente. Calculado los resultados revelan que las movilidades de los agujeros de los nuevos polímeros diseñados son mayor que el del correspondiente polímero (Pa1ePa3), y confirmar para ser un método razonable para estimar el PCE% de las células solares utilizando los diagramas de Scharber en este sistema.