Nowe materiały oparte na perylenodiimidzie do zastosowań fotowoltaicznych

Abstract

W obliczu pogarszającego się stanu środowiska naturalnego, konwersja światła słonecznego na energię elektryczną nabrała szczególnego znaczenia. Choć krzemowe ogniwa fotowoltaiczne na dobre zagościły na rynku konsumenckim, cechują je istotne ograniczenia, jak wysoki koszt, czy znaczna masa paneli. Niniejsza rozprawa doktorska koncentruje się na rozwoju organicznych ogniw słonecznych (OSCs), które dzięki takim zaletom jak możliwość wytwarzania przy użyciu technik niskotemperaturowych, elastyczność i lekkość paneli, stanowią obiecującą alternatywę dla ogniw konwencjonalnych. Ze względu na wciąż niezadowalającą wydajność OSC, celem pracy było opracowanie nowych materiałów pełniących rolę międzywarstwy katodowej (CIL) oraz dodatków akceptorowych do warstwy aktywnej typu BHJ, których zadaniem jest poprawa parametrów pracy tych urządzeń. Otrzymano 34 pochodne diimidu perylenowego z różnorodnymi ugrupowaniami kotwiczącymi oraz 4 nowe pochodne akceptorowe o unikalnych strukturach trójwymiarowych. Wybrane związki zastosowano w urządzeniach OSC. Użycie jednego z materiałów pozwoliło uzyskać sprawność ogniwa przekraczającą 18%, co stanowi wzrost o ok. 3% względem układu referencyjnego pozbawionego CIL. Ponadto, uzyskane wyniki pozwoliły określić zależności między strukturą PDI a parametrami ogniw, co stanowi istotny wkład w rozwój technologii OSC i innych obszarów organicznej elektroniki.

In the face of the deteriorating state of the natural environment, the conversion of solar energy into electricity has gained significant importance. Although silicon photovoltaic cells have become well established in the consumer market, they have notable limitations such as high cost and considerable panel weight. This doctoral dissertation focuses on the development of organic solar cells (OSCs), which, due to their advantages such as low-temperature processing, flexibility, and lightness of panels, offer promising alternatives to conventional cells. Due to the still unsatisfactory efficiency of OSCs, this work aimed to develop new materials serving as cathode interlayers (CIL) and acceptor additives for the bulk heterojunction (BHJ) active layer, aimed at improving the performance parameters of these devices. A total of 34 perylene diimide derivatives with various anchoring groups and 4 novel acceptor-type derivatives with unique 3D structures were synthesized. Selected compounds were applied in OSC devices. The use of one of the materials enabled the attainment of power conversion efficiency exceeding 18%, representing an increase of approx. 3% compared to the reference device without a CIL. Furthermore, the obtained results allowed for the identification of structure–performance relationships, contributing to the development of OSCs and other areas of organic electronics.