유기 태양 전지 재료의 초고속 공정 모델링

[아름이]

유기 태양 전지 재료의 초고속 공정 모델링
날짜:
2023년 3월 16일
원천:
흐로닝언 대학교
요약:
유기 태양 전지에서 탄소 기반 폴리머는 빛을 억셉터로 전달되는 전하로 변환합니다. 과학자들은 이제 분자 역학 시뮬레이션과 양자 계산을 결합하여 이것이 어떻게 발생하는지 계산하고 실험 데이터를 해석하기 위한 이론적 통찰력을 제공했습니다.

전체 이야기
유기 태양 전지에서 탄소 기반 폴리머는 빛을 억셉터로 전달되는 전하로 변환합니다. 이러한 유형의 물질은 큰 잠재력을 가지고 있지만 이를 풀기 위해서는 전하가 생성되고 폴리머를 따라 운반되는 방식에 대한 더 나은 이해가 필요합니다. Groningen 대학의 과학자들은 이제 분자 역학 시뮬레이션과 양자 계산을 결합하여 이것이 어떻게 발생하는지 계산하고 실험 데이터를 해석하기 위한 이론적 통찰력을 제공했습니다. 결과는 3월 15일 Journal of Physical Chemistry C 에 발표되었습니다 .

유기 태양 전지는 기존의 실리콘 기반 전지보다 얇고 유연하며 제조가 더 쉽습니다. 효율성을 개선하려면 폴리머 필름을 통해 전하가 이동하는 방식을 이해하는 것이 중요합니다. '이 필름은 전자 공여체와 전자 수용체로 구성되어 있습니다. 전하는 얽힌 폴리머 사슬을 따라 비편재화되고 100펨토초 이하의 시간 척도에서 기증자에서 수용자로 전달됩니다. 따라서 이 과정을 이해하기 위해서는 이론적 연구와 시뮬레이션이 필요합니다.'

전하 이체

Palacino-González가 연구한 시스템은 기증자로서 플라스틱 반도체 P3HT와 수용자로서 C60 '버키볼'이 있는 폴리머인 PCBM으로 구성됩니다. '우리는 이 물질이 에너지를 포착하고 운반하는 방법을 이해하기 위해 물질을 통해 전하가 어떻게 전도되는지 알고 싶었습니다. 우리가 이것을 이해한다면 그것을 통제하는 것이 가능할 것입니다.' 재료에 대한 실험적 연구는 일부 정보를 제공하지만 대량 프로세스에 대해서만 제공합니다. '따라서 우리는 분자 동역학 시뮬레이션을 결합하여 시간 종속 밀도 함수 이론을 사용하여 공여체 폴리머를 원자적으로 모델링하기 위해 양자 화학 계산과 재료의 분자 운동을 결정했습니다.'

이러한 이론적 연구는 12개의 모노머로 구성된 공여체 폴리머를 사용하여 수행되었습니다. '우리는 물질의 자극이 어떻게 발생하는지 연구하기 위해 주로 기증자에 초점을 맞췄습니다.' 분자 동역학 시뮬레이션은 열 효과로 인한 바닥 상태의 움직임을 보여줍니다. Palacino-González는 펨토초 전하 이동을 연구하기에 충분한 12.5 피코초 동안 이것을 계산했습니다.

실험

'그리고 다음 단계는 이 분자들 위에 양자 세계를 중첩시키는 것이었습니다.'라고 Palacino-González는 계속 말했습니다. 이를 위해 그녀는 다이머로 시작했습니다. 폴리머 사슬에서 서로 옆에 있는 두 개의 모노머는 상호 작용하고 서로 '대화'합니다. 이로 인해 듀오의 에너지 수준이 분열됩니다.'라고 Palacino-González는 설명합니다. 그녀는 분자 시스템에 대한 모든 정보를 포함하는 매트릭스인 해밀토니안(Hamiltonian) 형태로 다이머 에너지의 '지문'을 만들었습니다. '두 개의 단량체가 병렬 방식으로 정렬될 때 두 개는 결합되어 서로 대화합니다. 그러나 그들이 90도 각도에 있을 때 상호 작용은 최소화됩니다.'

이러한 각도는 분자에 꼬임을 형성하여 폴리머 사슬을 따라 에너지 전달을 방해합니다. Palacino-González는 '845개의 폴리머로 구성된 시뮬레이션된 재료의 통계 분석에 따르면 그 중 약 절반이 완벽하게 정렬된 반면 나머지 절반은 대부분 한두 개의 꼬임이 있는 것으로 나타났습니다. 이량체에서 그녀는 12-mers(6개의 이량체로 구성됨)의 Hamiltonian을 계산했습니다. 그녀의 계산에는 12-mer 기증자 폴리머의 다양한 꼬임 수가 포함되었습니다. '이러한 연구는 폴리머를 따라 에너지 분포를 보여주고 이러한 물질에 대한 현재 실험과 직접 비교할 수 있는 억셉터 폴리머 블렌드의 스펙트럼 신호에 대한 물질에 의해 생성된 환경의 영향을 특성화하는 현실적인 모델을 제공합니다.'

사실적인 묘사

모델은 제한적이지만 단량체가 직접 이웃과 상호 작용할 수만 있기 때문에 결과는 실험 결과에 대한 중요한 통찰력을 제공합니다. '우리의 계산은 첫 번째 원칙에서 나온 것이며 혼합 환경에 대한 현실적인 설명을 포함하여 이러한 분석이 이 재료에 대해 이루어진 것은 이번이 처음입니다. 이는 이제 P3HT/PCBM 혼합물을 사용한 실험 연구에서 생성된 스펙트럼을 설명하는 데 도움을 줄 수 있음을 의미합니다. 예를 들어 크기 분포가 레이저 광 여기에서 생성되는 스펙트럼을 어떻게 변경하는지 보여줄 수 있습니다.'라고 Palacino-González는 말합니다. '우리는 이제 기증자에서 수용자로의 초고속 전하 이동 과정을 볼 수 있습니다. 이것은 유기 광전지에 대한 이론적 연구에 영감을 주고 실험자들이 그들의 결과를 이해하는 데 도움이 될 것입니다.'

출처 : https://www.sciencedaily.com/