Органические оптоэлектронные устройства, например органические солнечные элементы, пользуются все большим спросом из-за своей гибкости и малого веса; однако их производительность зависит от того, насколько хорошо их светопоглощающие органические молекулы преобразуют световую энергию в "свободные носители заряда", переносящие электрические токи. Энергия, необходимая для генерации свободных носителей заряда, называется ‘энергией связи экситонов’.
Чем ниже энергия связи экситонов, тем легче генерировать свободные носители заряда и тем выше производительность устройства. Однако исследователи все еще не смогли создать молекулы с низкой энергией связи экситонов в твердом состоянии. Исследовательская группа из Университета Осаки обнаружила, что энергия связи экситонов в материалах зависит от взаимного расположения молекул, что известно как агрегация.
Ведущий автор исследования Хироки Мори (Hiroki Mori) сказал, что исследователи синтезировали два типа похожих молекул в форме звезды: одну с гибким центром, а другую с жестким. “Молекулы вели себя одним образом, когда они были диспергированы в растворе, но совершенно по-другому, когда они были собраны вместе в тонкие твердые пленки”, – сказал Мори.
Это различие в поведении обусловлено тем, что жесткие молекулы хорошо соединяются друг с другом, как пластины, в то время как гибкие молекулы этого не делают. В твердом состоянии жесткая молекула обладает меньшей энергией связи экситонов, чем гибкая. Чтобы убедиться в этом, команда создала однокомпонентный органический солнечный элемент и фотокатализатор, используя каждый тип молекул. Солнечный элемент и фотокатализатор, изготовленные из жесткой молекулы, показали улучшенную производительность, поскольку их низкая энергия связи с экситонами привела к высокой генерации свободных носителей заряда.
“Наши выводы о том, что создание хорошо агрегируемых молекул может снизить энергию связи экситонов, действительно впечатляют. Это может дать нам новый способ разработки более эффективных оптоэлектронных устройств”, – сказал старший автор Ютака Ие.
Результаты исследований показывают, что взаимодействие между молекулами крайне важно для работы устройства и что при проектировании молекул для высокопроизводительных оптоэлектронных устройств следует обращать внимание не только на индивидуальные молекулярные свойства. Этот новый метод уменьшения энергии связи экситонов может способствовать разработке следующего поколения оптоэлектронных устройств.
