В последние годы перовскитные солнечные батареи (ПСБ) привлекают значительное внимание благодаря своей высокой эффективности и перспективам коммерциализации. Одним из ключевых аспектов их развития является оптимизация слоёв электрон-транспортных материалов, что напрямую влияет на стабильность и производительность устройств. Эти слои критически важны для сбора электронов и минимизации энергетических потерь. Группой российских ученых из ведущих научных центров (ФИЦ ПХФ и МХ РАН и ИНЭОС им. А.Н. Несмеянова) была обнаружена интересная взаимосвязь между размерами молекул производных перилендиимида (PDI), используемых в качестве электрон-транспортных слоев, и итоговыми характеристиками устройств. Данная работа, опубликована в рецензируемом журнале Synthetic Metals (импакт-фактор 4.6).

Суть исследования

Ученые синтезировали три производных PDI: мономер, формальный димер и полимер, путем использования тиофенового линкера. Такой подход позволил напрямую изучить влияние размера молекулы на оптоэлектронные, электро-физические, морфологические свойства электрон-транспортного слоя а также производительность солнечных батарей с их содержанием..

Ключевые результаты и методика

С использованием метода инфракрасной сканирующей ближнепольной оптической микроскопии (IR s-SNOM) с возможностью нанометрового разрешения было показано, что пленка полимерного PDI обладает наиболее однородной морфологией и с меньшей плотностью дефектов по сравнению с  пленками более низкомолекулярных аналогов (мономера и димера). При этом наименее качественная морфология была продемонстрирована для мономерного производного PDI. Таким образом, увеличение молекулярной массы способствует эффективному покрытию поверхности подложки, что в свою очередь приводит к снижению рекомбинационных процессов на границах раздела слоев.

Данные IR s-SNOM хорошо коррелировали с результатами фотовольтаических устройств. ПСБ с полимерным PDI в качестве ETL продемонстрировали наиболее высокую эффективность и стабильность, тогда как использование мономерных PDI показало наихудшие результаты.

Таким образом, детальное изучение трех родственных молекул различного размера подтвердили предположения о преимуществе макромолекулярных систем (димеров и сопряженных полимеров с перилендиимидными фрагментами) перед низкомолекулярными производными перилендиимида. Более того, была продемонстрирована чёткая взаимосвязь между однородностью пленки электрон-транспортного слоя, электрическими характеристиками и операционной стабильностью перовскитных солнечных батарей с p-i-n конфигурацией. Представленный в статье полимерный PDI можно считать весьма перспективным материалом для электрон-транспортных слоев, заслуживающим дальнейшего изучения в различных архитектурах перовскитных солнечных батарей.

В исследовании принимали участие научные сотрудники ФИЦ ПХФ и МХ РАН отдела кинетики и катализа: А.Ф. Акбулатов, П.Г. Новкина, Н.А. Емельянов, О.А, Краевая, П.А. Трошин; – АЦКП – Н.А. Слесаренко, а также ученые из Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук.

Azat F. Akbulatov, Polina G. Novkina, Nikita A. Emelianov, Evgenia P. Antoshkina, Al’bert N. Galiullin, Nikita A. Slesarenko, Ekaterina A. Khakina, Olga A. Kraevaya, Sergey A. Kuklin, Pavel A. Troshin // Impact of the molecular size of the perylenediimide-derived electron transport materials on the efficiency and stability of p-i-n perovskite solar cells // Synthetic Metals, Volume 313, IF=4.6

https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2025.117888