Sončna barva: 8 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Posebna barva, ki neposredno proizvaja sončno svetlobo.

Organske fotovoltaike (OPV) ponujajo ogromen potencial kot poceni premazi, ki lahko proizvajajo električno energijo neposredno iz sončne svetlobe. Te materiale iz polimernih mešanic je mogoče z velikimi hitrostmi natisniti na velikih površinah s tehnikami obdelave od rolne do zvitka in ustvariti motečo vizijo, da vsako streho in drugo primerno gradbeno površino premažemo z nizkocenovno fotovoltaiko.

1. korak: Sinteza NP -jev po postopku miniemulzije

Metoda izdelave nanodelcev uporablja ultrazvočno energijo, ki se oddaja z ultrazvočnim rogom, vstavljenim v reakcijsko zmes, za ustvarjanje miniemulzije (slika zgoraj). Ultrazvočni rog omogoča nastanek submikrometrovnih kapljic z uporabo velike strižne sile. Tekočo vodno fazo, ki vsebuje površinsko aktivno snov (polarno), združimo z organsko fazo polimera, raztopljeno v kloroformu (nepolarno), da dobimo makroemulzijo, nato ultrazvočno obdelamo, da tvorimo miniemulzijo. Kapljice polimernega kloroforma tvorijo dispergirano fazo z vodno neprekinjeno fazo. To je sprememba običajne metode za pridobivanje polimernih nanodelcev, kjer je bila razpršena faza tekoči monomer.

Takoj po miniemulgifikaciji se topilo odstrani iz razpršenih kapljic z uparjenjem, pri čemer ostanejo polimerni nanodelci. Končno velikost nanodelcev je mogoče spremeniti s spreminjanjem začetne koncentracije površinsko aktivne snovi v vodni fazi.

2. korak: Sinteza NP z metodami obarjanja

Kot alternativa pristopu miniemulzije tehnike obarjanja ponujajo preprosto pot do proizvodnje polprevodniških polimernih nanodelcev z vbrizgavanjem raztopine aktivnega materiala v drugo topilo s slabo topnostjo.

Kot taka je sinteza hitra, ne uporablja površinsko aktivnih snovi, ne potrebuje segrevanja (in zato tudi predhodnega žarjenja nanodelcev) v fazi sinteze nanodelcev in jo je mogoče zlahka povečati za obsežno sintezo materiala. Na splošno se je izkazalo, da imajo disperzije nižjo stabilnost in da imajo spremembo sestave, ko stojijo zaradi prednostnega obarjanja delcev različne sestave. Pristop obarjanja pa ponuja priložnost za vključitev sinteze nanodelcev kot del aktivnega tiskarskega procesa, pri čemer se delci tvorijo po potrebi. Poleg tega sta Hirsch et al. so pokazali, da je z zaporednim premikom topila mogoče sintetizirati obrnjene delce jedra-lupine, kjer je strukturna razporeditev v nasprotju z lastno površinsko energijo materialov.

3. korak: Sistem materialov iz nanodelcev F8BT iz organskih fotovoltaičnih (NPOPV) nanodelcev

Zgodnje meritve učinkovitosti pretvorbe energije PFB: Naprave iz nanodelcev F8BT pri sončni osvetlitvi so poročale o napravah z Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 in Voc = 1,38 V, ki (ob predpostavki najboljše ocene faktorja neodprtega polnjenja (FF) 0,28 iz naprav za mešanje v razsutem stanju) ustreza PCE 0,004%.

Edine druge fotonapetostne meritve naprav z nanodelci PFB: F8BT so bile ploskve zunanje kvantne učinkovitosti (EQE). Večplastne fotovoltaične naprave, izdelane iz nanodelcev PFB: F8BT, ki so pokazale največjo učinkovitost pretvorbe energije, opaženo pri teh materialih iz nanodelcev iz polifluorena.

Ta povečana zmogljivost je bila dosežena z nadzorom površinske energije posameznih komponent v polimernih nanodelcih in obdelovanjem plasti polimernih nanodelcev po nanosu. Pomembno je, da je to delo pokazalo, da so bile izdelane organske fotovoltaične naprave iz nanodelcev (NPOPV) učinkovitejše od standardnih naprav za mešanje (slika pozneje).

4. korak: Slika

Primerjava električnih značilnosti naprav z nanodelci in v razsutem stanju za heterojunkcijo. (a) Sprememba gostote toka v primerjavi z napetostjo za petplastni PFB: F8BT (poli (9,9-dioktilfluoren-co-N, N'-bis (4-butilfenil) -N, N'-difenil-1, 4-fenilendiamin) (PFB); poli (9, 9-dioktilfuoren-ko-benzotiadiazol (F8BT)) nanodelci (napolnjeni krogi) in naprava za množično heterojunkcijo (odprti krogi); (b) variacija zunanje kvantne učinkovitosti (EQE) v primerjavi valovna dolžina za petoslojno PFB: nanodelci F8BT (napolnjeni krogi) in naprava za množično heterojunkcijo (odprti krogi). Prikazana je tudi (črtkana črta) grafikon EQE za napravo za film z nanodelci.

Učinek katod Ca in Al (dveh najpogostejših materialov elektrod) v napravah OPV na osnovi disperzij vodnih polimernih nanodelcev (NP) iz mešanice polifluorena. Pokazali so, da imajo naprave PFB: F8BT NPOPV s katodoma Al in Ca/Al kvalitativno zelo podobno obnašanje, z najvišjo PCE ~ 0,4% za Al in ~ 0,8% za Ca/Al, in da obstaja izrazito optimizirana debelina za Naprave NP (naslednja slika). Optimalna debelina je posledica konkurenčnih fizikalnih učinkov sanacije in zapolnitve napak pri tankih folijah [32, 33] in razvoja razpok zaradi napetosti v debelih folijah.

Optimalna debelina sloja v teh napravah ustreza kritični debelini razpok (CCT), nad katero pride do razpok zaradi napetosti, kar ima za posledico nizko odpornost premaga in zmanjšanje zmogljivosti naprave.

5. korak: Slika

Sprememba učinkovitosti pretvorbe energije (PCE) s številom nanesenih plasti za PFB: F8BT nanodelci organske fotovoltaične (NPOPV) naprave, izdelane s katodo Al (napolnjeni krogi) in katodo Ca/Al (odprti krogi). Za vodenje očesa so bile dodane črtkane in črtkane črte. Povprečna napaka je bila določena na podlagi variance za najmanj deset naprav za vsako število plasti.

Torej, naprave F8BT povečajo disociacijo ekscitona glede na ustrezno strukturo BHJ. Poleg tega uporaba katode Ca/Al povzroči nastanek medfaznih vrzeli (slika pozneje), ki zmanjšajo rekombinacijo nabojev, ki jih ustvari PFB v teh napravah, in obnovijo napetost odprtega tokokroga na raven, dobljeno za optimizirano napravo BHJ, zaradi česar se PCE približa 1%.

6. korak: Slika

Diagrami ravni energije za PFB: nanodelci F8BT v prisotnosti kalcija. (a) kalcij difundira po površini nanodelcev; (b) Kalcij dopira lupino, bogato s PFB, kar povzroča stanja vrzeli. Prenos elektronov se pojavi iz zapolnjenih vrzeli, ki proizvajajo kalcij; (c) Eksciton, ustvarjen na PFB, se približa dopiranemu materialu PFB (PFB*), luknja pa preide v stanje zapolnjene vrzeli in ustvari bolj energičen elektron; (d) Prenos elektronov iz ekscitona, ustvarjenega na F8BT, na najnižjo nezasedeno molekularno orbito PFB z višjo energijo (LUMO) ali napolnjeno nizkoenergijsko PFB* LUMO je oviran.

Naprave NP-OPV, izdelane iz vodno dispergiranega P3HT: nanodelci PCBM, ki so pokazali učinkovitost pretvorbe energije (PCE) 1,30% in najvišjo zunanjo kvantno učinkovitost (EQE) 35%. Vendar pa so bile naprave P3HT: PCBM NPOPV za razliko od sistema POPB: F8BT NPOPV manj učinkovite kot njihovi primerki v razsutem stanju. Skenirna transmisijska rentgenska mikroskopija (STXM) je pokazala, da aktivna plast ohranja visoko strukturirano morfologijo NP in obsega NP jedra-lupine, sestavljena iz razmeroma čistega jedra PCBM in mešane lupine P3HT: PCBM (naslednja slika). Vendar pri žarjenju te naprave NPOPV doživijo obsežno fazno ločevanje in ustrezno zmanjšanje zmogljivosti naprav. Dejansko je to delo pojasnilo nižjo učinkovitost žarjenih naprav P3HT: PCBM OPV, saj toplotna obdelava filma NP povzroči učinkovito "preveč žarjeno" strukturo z bruto fazno segregacijo, kar moti nastajanje in transport naboja.

7. korak: Povzetek uspešnosti NPOPV

Povzetek delovanja naprav NPOPV, o katerem so poročali v zadnjih nekaj letih, je predstavljen v

Tabela. Iz tabele je razvidno, da se je zmogljivost naprav NPOPV dramatično povečala s povečanjem za tri reda velikosti.

8. korak: Zaključki in prihodnji obeti

Nedavni razvoj premazov NPOPV na vodni osnovi predstavlja premik paradigme pri razvoju poceni naprav OPV. Ta pristop hkrati zagotavlja nadzor nad morfologijo in odpravlja potrebo po hlapnih vnetljivih topilih v proizvodnji naprav; dva ključna izziva sedanje raziskave naprav OPV. Dejansko razvoj sončne barve na vodni osnovi ponuja motečo možnost tiskanja naprav OPV z veliko površino s katerim koli obstoječim tiskalnikom. Poleg tega se vedno bolj priznava, da bi bil razvoj sistema OPV na vodni osnovi za tiskanje zelo ugoden in da sedanji sistemi materialov na osnovi kloriranih topil niso primerni za komercialno proizvodnjo. Delo, opisano v tem pregledu, kaže, da je nova metodologija NPOPV na splošno uporabna in da so lahko PCE za naprave NPOPV konkurenčni napravam, izdelanim iz organskih topil. Vendar pa te študije tudi razkrivajo, da se z vidika materialov NP obnašajo popolnoma drugače kot polimerne mešanice, pridobljene iz organskih topil. Dejansko so NP popolnoma nov materialni sistem, zato se stara pravila za izdelavo naprav OPV, ki so se naučila za naprave OPV na organski osnovi, ne uporabljajo več. V primeru NPOPV na osnovi polifluorenskih mešanic se zaradi morfologije NP podvoji učinkovitost naprave. Vendar pa je pri mešanicah polimer: fuleren (npr. P3HT: PCBM in P3HT: ICBA) tvorba morfologije v folijah NP zelo kompleksna, drugi dejavniki (kot je difuzija jedra) pa lahko prevladujejo, kar ima za posledico neoptimizirane strukture naprav in učinkovitost. Prihodnji obeti za te materiale so zelo obetavni, saj se je učinkovitost naprav v manj kot petih letih povečala z 0,004% na 4%. Naslednja stopnja razvoja bo vključevala razumevanje mehanizmov, ki določajo strukturo NP in morfologijo filma NP ter kako jih je mogoče nadzorovati in optimizirati. Do danes se še ni uresničila zmožnost nadzora morfologije aktivnih plasti OPV na nanometru. Nedavno delo pa dokazuje, da lahko uporaba materialov NP omogoči doseganje tega cilja.