Published July 1, 2021 | Version v1
Publication Open

Designing and theoretical study of fluorinated small molecule donor materials for organic solar cells

Creators

  • 1. University of Faisalabad
  • 2. University of Agriculture Faisalabad
  • 3. National University of Sciences and Technology

Description

A recently synthesized photoactive donor named fluorinated thienyl–substituted benzodithiophene (DRTB-FT), modified with four novel end capped acceptor molecules, has been investigated through different electrical, quantum, and spectrochemical techniques for its enhanced electro-optical and photovoltaic properties. DRTB-FT was connected to 2-methylenemalononitrile (D-1), 2-methylene-3-oxobutanenitrile (D-2), 2-(2-methylene-3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden-1-ylidene) malononitrile (D-3), and 3-methyl-5methylene-2-thioxothiazolidin-4-one (D-4) as terminal acceptor moieties. The architectural D-1 and D-3 molecules owe reduced optical band gap of 2.45 and 2.28 eV benefited from A-D-A configuration and have broaden maximum absorption band (λmax) at 617 and 602 nm in polar organic solvent (chloroform). Reduced optical band gap sets the ease for enhanced absorption. Reorganization energy of electron (λe) of D-3 molecule (0.00397 eV) was smaller among all which disclosed its greater mobility of conducting electrons (ICT). Larger values of dipole moment (μ) of D-1 (5.939 Debye) and D-3 (3.661 Debye) molecules in comparison to R indicated greater solubilities of the targeted molecules. Among the tailored molecules, D-3 showed the lowest binding energy of 0.25 eV in solvent phase and 0.08 eV in gaseous phase. The voltaic strength of the designed molecules was examined with respect to fullerene derivative (PC61BM) which exposed that D-1 is the best choice for achieving higher PCE. TDM (transition density matrix), DOS (density of states) analysis, and binding energies all were estimated at MPW1PW91/6-31G (d, p) level of DFT (density functional theory).

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تم فحص متبرع نشط ضوئيًا تم تصنيعه مؤخرًا يدعى البنزوديثوفين المستبدل بالثينيل المفلور (DRTB - FT)، والذي تم تعديله بأربعة جزيئات مستقبلية جديدة مغطاة بالنهاية، من خلال تقنيات كهربائية وكمية وكيميائية طيفية مختلفة لخصائصه الكهروضوئية والكهروضوئية المحسنة. تم توصيل DRTB - FT بـ 2 - methylenemalononitrile (D -1)، 2 - methylene -3 - oxobutanenitrile (D -2)، 2 - (2 - methylene -3 - oxo -2،3 - dihydro -1H - inden -1 - lylidene) malononitrile (D -3)، و 3 - methyl -5methylene -2 - thioxothiazolidin -4 - one (D -4) كأجزاء متقبلة نهائية. تدين الجزيئات المعمارية D -1 و D -3 بفجوة نطاق بصري منخفضة تبلغ 2.45 و 2.28 فولت استفادت من تكوين A - D - A ووسعت نطاق الامتصاص الأقصى (λmax) عند 617 و 602 نانومتر في المذيب العضوي القطبي (الكلوروفورم). تعمل فجوة النطاق البصري المنخفضة على تسهيل الامتصاص المعزز. كانت طاقة إعادة تنظيم الإلكترون (λe) لجزيء D -3 (0.00397 إلكترون فولت) أصغر من بين كل ما كشف عن حركته الأكبر للإلكترونات الموصلة (ICT). تشير القيم الأكبر لعزم ثنائي القطب (μ) لجزيئات D -1 (5.939 Debye) و D -3 (3.661 Debye) مقارنة بـ R إلى قابلية ذوبان أكبر للجزيئات المستهدفة. من بين الجزيئات المصممة خصيصًا، أظهر D -3 أقل طاقة ربط تبلغ 0.25 إلكترون فولت في طور المذيب و 0.08 إلكترون فولت في الطور الغازي. تم فحص القوة الفولتية للجزيئات المصممة فيما يتعلق بمشتق الفوليرين (PC61BM) الذي كشف أن D -1 هو الخيار الأفضل لتحقيق PCE أعلى. تم تقدير كل من TDM (مصفوفة الكثافة الانتقالية) وتحليل DOS (كثافة الحالات) وطاقات الربط عند مستوى MPW1PW91/6-31 G (d, p) من DFT (نظرية الكثافة الوظيفية).

Translated Description (French)

Un donneur photoactif récemment synthétisé nommé benzodithiophène substitué par thiényle fluoré (DRTB-FT), modifié avec quatre nouvelles molécules acceptrices à coiffe terminale, a été étudié à travers différentes techniques électriques, quantiques et spectrochimiques pour ses propriétés électro-optiques et photovoltaïques améliorées. DRTB-FT a été connecté au 2-méthylènemalononitrile (D-1), au 2-méthylène-3-oxobutanenitrile (D-2), au 2-(2-méthylène-3-oxo-2,3-dihydro-1H-indène-1-ylidène) malononitrile (D-3) et à la 3-méthyl-5méthylène-2-thioxothiazolidin-4-one (D-4) comme fractions acceptrices terminales. Les molécules architecturales D-1 et D-3 doivent une bande interdite optique réduite de 2,45 et 2,28 eV ont bénéficié de la configuration A-D-A et ont élargi la bande d'absorption maximale (λmax) à 617 et 602 nm dans le solvant organique polaire (chloroforme). La bande interdite optique réduite facilite l'absorption. L'énergie de réorganisation de l'électron (λe) de la molécule D-3 (0,00397 eV) était plus faible parmi toutes celles qui révélaient sa plus grande mobilité des électrons conducteurs (TIC). Des valeurs plus élevées du moment dipolaire (μ) des molécules D-1 (5,939 Debye) et D-3 (3,661 Debye) par rapport à R ont indiqué une plus grande solubilité des molécules ciblées. Parmi les molécules sur mesure, D-3 a montré la plus faible énergie de liaison de 0,25 eV en phase solvant et 0,08 eV en phase gazeuse. La force voltaïque des molécules conçues a été examinée par rapport au dérivé de fullerène (PC61BM) qui a exposé que D-1 est le meilleur choix pour atteindre un PCE plus élevé. TDM (matrice de densité de transition), analyse dos (densité d'états) et énergies de liaison ont toutes été estimées au niveau MPW1PW91/6-31G (d, p) de la DFT (théorie fonctionnelle de la densité).

Translated Description (Spanish)

Un donante fotoactivo recientemente sintetizado llamado benzoditiofeno sustituido con tienilo fluorado (DRTB-FT), modificado con cuatro nuevas moléculas aceptoras protegidas en los extremos, se ha investigado a través de diferentes técnicas eléctricas, cuánticas y espectroquímicas por sus propiedades electroópticas y fotovoltaicas mejoradas. DRTB-FT se conectó a 2-metilenmalononitrilo (D-1), 2-metilen-3-oxobutanonitrilo (D-2), 2-(2-metilen-3-oxo-2,3-dihidro-1H-inden-1-iliden) malononitrilo (D-3) y 3-metil-5-metilen-2-tioxotiazolidin-4-ona (D-4) como restos aceptores terminales. Las moléculas arquitectónicas D-1 y D-3 deben una brecha de banda óptica reducida de 2.45 y 2.28 eV se beneficiaron de la configuración A-D-A y han ampliado la banda de absorción máxima (λmax) a 617 y 602 nm en disolvente orgánico polar (cloroformo). La brecha de banda óptica reducida establece la facilidad para una absorción mejorada. La energía de reorganización del electrón (λe) de la molécula D-3 (0.00397 eV) fue menor entre todas las que revelaron su mayor movilidad de electrones conductores (ICT). Los valores más grandes del momento dipolar (μ) de las moléculas D-1 (5.939 Debye) y D-3 (3.661 Debye) en comparación con R indicaron mayores solubilidades de las moléculas objetivo. Entre las moléculas adaptadas, D-3 mostró la energía de unión más baja de 0.25 eV en fase disolvente y 0.08 eV en fase gaseosa. La fuerza voltaica de las moléculas diseñadas se examinó con respecto al derivado de fullereno (PC61BM) que expuso que D-1 es la mejor opción para lograr un PCE más alto. El análisis de TDM (matriz de densidad de transición), dos (densidad de estados) y las energías de unión se estimaron en el nivel MPW1PW91/6-31G (d, p) de DFT (teoría funcional de densidad).

Files

latest.pdf.pdf

Files (1.5 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:cd233719841fc9dedc235c090d2482a3
1.5 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تصميم ودراسة نظرية للمواد المانحة للجزيئات الصغيرة المفلورة للخلايا الشمسية العضوية
Translated title (French)
Conception et étude théorique de matériaux donneurs de petites molécules fluorées pour les cellules solaires organiques
Translated title (Spanish)
Diseño y estudio teórico de materiales donantes de moléculas pequeñas fluoradas para células solares orgánicas

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3152636632
DOI
10.1007/s00894-021-04831-z

Is supplement to
https://openalex.org/W4233226806 (Other)
https://openalex.org/W2987232707 (Other)
https://openalex.org/W2937432125 (Other)
https://openalex.org/W2766787219 (Other)
https://openalex.org/W2184608880 (Other)
https://openalex.org/W2118263465 (Other)
https://openalex.org/W2108769297 (Other)
https://openalex.org/W2075062387 (Other)
https://openalex.org/W2014947020 (Other)
https://openalex.org/W2004609869 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Pakistan

References

  • https://openalex.org/W1503967099
  • https://openalex.org/W1819865225
  • https://openalex.org/W1968051386
  • https://openalex.org/W2008997084
  • https://openalex.org/W2011866185
  • https://openalex.org/W2016004522
  • https://openalex.org/W2034467076
  • https://openalex.org/W2040402389
  • https://openalex.org/W2041464793
  • https://openalex.org/W2050892587
  • https://openalex.org/W2053049218
  • https://openalex.org/W2062852634
  • https://openalex.org/W2077547951
  • https://openalex.org/W2082917109
  • https://openalex.org/W2112850441
  • https://openalex.org/W2132525235
  • https://openalex.org/W2145252402
  • https://openalex.org/W2276364486
  • https://openalex.org/W2416098265
  • https://openalex.org/W2502683233
  • https://openalex.org/W2892308454
  • https://openalex.org/W2912974042
  • https://openalex.org/W2920878778
  • https://openalex.org/W2922112571
  • https://openalex.org/W2925319488
  • https://openalex.org/W2943652240
  • https://openalex.org/W2998840182
  • https://openalex.org/W3018972895
  • https://openalex.org/W3021317012
  • https://openalex.org/W3021518424
  • https://openalex.org/W3036019484
  • https://openalex.org/W3041723416
  • https://openalex.org/W3081310750
  • https://openalex.org/W3105982350
  • https://openalex.org/W3119009381
  • https://openalex.org/W3157376251
  • https://openalex.org/W3159461248
  • https://openalex.org/W4229971916