Solarna boja: 8 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:35

Posebna boja koja proizvodi izravnu električnu energiju od sunčeve svjetlosti.

Organski fotonaponi (OPV) nude ogroman potencijal kao jeftini premazi sposobni stvarati električnu energiju izravno od sunčeve svjetlosti. Ovi materijali s mješavinom polimera mogu se ispisivati velikom brzinom na velikim površinama pomoću tehnika obrade od valjanja do valjaka, stvarajući primamljivu viziju premazivanja svakog krova i druge prikladne građevinske površine jeftinim fotonaponom.

Korak 1: Sinteza NP -a postupkom miniemulzije

Metoda izrade nanočestica koristi ultrazvučnu energiju isporučenu putem ultrazvučne trube umetnute u reakcijsku smjesu za stvaranje miniemulzije (slika gore). Ultrazvučna sirena omogućuje stvaranje kapljica podmikrometra primjenom velike sile smicanja. Tekuća vodena faza koja sadrži površinski aktivne tvari (polarna) kombinira se s organskom fazom polimera otopljenom u kloroformu (nepolarnoj) da se dobije makroemulzija, zatim ultrazvučno obrađena kako bi nastala miniemulzija. Kapljice polimernog kloroforma čine dispergiranu fazu s vodenom kontinuiranom fazom. Ovo je modifikacija uobičajene metode za stvaranje polimernih nanočestica gdje je dispergirana faza bio tekući monomer.

Odmah nakon miniemulzifikacije, otapalo se uklanja iz dispergiranih kapljica isparavanjem, ostavljajući polimerne nanočestice. Konačna veličina nanočestica može se mijenjati promjenom početne koncentracije tenzida u vodenoj fazi.

Korak 2: Sinteza NP -a metodama taloženja

Kao alternativa pristupu mini emulzije, tehnike taloženja nude jednostavan put do proizvodnje poluvodičkih polimernih nanočestica ubrizgavanjem otopine aktivnog materijala u drugo otapalo loše topljivosti.

Kao takva, sinteza je brza, ne koristi surfaktant, ne zahtijeva zagrijavanje (i stoga nema žarenja nanočestica prije proizvodnje) u fazi sinteze nanočestica i lako se može povećati za sintezu materijala velikih razmjera. Općenito, pokazalo se da disperzije imaju nižu stabilnost i pokazuju promjenu sastava nakon stajanja zbog preferencijalnog taloženja čestica različitog sastava. Međutim, pristup taloženja nudi mogućnost uključivanja sinteze nanočestica u dio aktivnog procesa tiska, pri čemu se čestice stvaraju prema potrebi. Nadalje, Hirsch i sur. su pokazali da je uzastopnim istiskivanjem otapala moguće sintetizirati obrnute čestice jezgre i ljuske gdje je strukturni raspored suprotan inherentnoj površinskoj energiji materijala.

Korak 3: PFB: Sustav materijala od organskih fotonaponskih nanočestica od nanočestica F8BT (NPOPV)

Rana mjerenja učinkovitosti pretvaranja energije PFB -a: Uređaji s nanočesticama F8BT pod solarnim osvjetljenjem izvijestili su o uređajima s Jsc = 1 × 10 -5 A cm^−2 i Voc = 1,38 V, koji (pod pretpostavkom najbolje procjene faktora napunjenosti bez žara (FF)) 0,28 iz uređaja za masovnu mješavinu) odgovara PCE -u od 0,004%.

Jedina druga fotonaponska mjerenja PFB: F8BT uređaja s nanočesticama bili su grafički prikazi vanjske kvantne učinkovitosti (EQE). Višeslojni fotonaponski uređaji izrađeni od PFB: F8BT nanočestica, koji su pokazali najveću učinkovitost pretvorbe energije uočenu za ove polifluorenske nanočestice.

Ova povećana učinkovitost postignuta je kontrolom površinske energije pojedinačnih komponenti u polimernoj nanočestici i obradom slojeva polimernih nanočestica nakon taloženja. Značajno je da je ovaj rad pokazao da su proizvedeni organski fotonaponski uređaji s nanočesticama (NPOPV) učinkovitiji od standardnih mješavina (slika kasnije).

Korak 4: Slika

Usporedba električnih karakteristika nanočestica i rasutih heterojunkcijskih uređaja. (a) Varijacija gustoće struje u odnosu na napon za petoslojni PFB: F8BT (poli (9,9-dioktilfluoren-ko-N, N'-bis (4-butilfenil) -N, N'-difenil-1, 4-fenilendiamin) (PFB); poli (9,9-dioktilfluoren-ko-benzotiadiazol (F8BT)) nanočestice (ispunjeni krugovi) i uređaj za skupni heterojunkcijski spoj (otvoreni krugovi); (b) Varijacije vanjske kvantne učinkovitosti (EQE) vs valna duljina za petoslojni PFB: F8BT nanočestice (ispunjeni krugovi) i uređaj za skupni heterojunk (otvoreni krugovi). Također je prikazana (isprekidana linija) EQE dijagram za uređaj s nanočesticama.

Učinak katoda Ca i Al (dva najčešća materijala elektroda) u OPV uređajima na bazi disperzija vodenih polimernih nanočestica (NP) iz mješavine polifluorena. Pokazali su da PFB: F8BT NPOPV uređaji s Al i Ca/Al katodama pokazuju kvalitativno vrlo slično ponašanje, s vršnim PCE -om od ~ 0,4% za Al i ~ 0,8% za Ca/Al, te da postoji izrazito optimizirana debljina za NP uređaji (sljedeća slika). Optimalna debljina posljedica je konkurentskih fizikalnih učinaka popravka i popunjavanja nedostataka tankih filmova [32, 33] i razvoja pukotina od naprezanja u debelim filmovima.

Optimalna debljina sloja u tim uređajima odgovara kritičnoj debljini pucanja (CCT) iznad koje dolazi do pucanja zbog naprezanja, što rezultira niskim otporom manevriranja i smanjenjem performansi uređaja.

Korak 5: Slika

Varijacija učinkovitosti pretvorbe energije (PCE) s brojem nanesenih slojeva za PFB: F8BT nanočestice organskih fotonaponskih uređaja (NPOPV) napravljenih s Al katodom (ispunjeni krugovi) i Ca/Al katodom (otvoreni krugovi). Dodane su isprekidane i isprekidane linije koje vode oko. Prosječna pogreška utvrđena je na temelju varijance za najmanje deset uređaja za svaki broj slojeva.

Dakle, F8BT uređaji pojačavaju disocijaciju ekscitona u odnosu na odgovarajuću strukturu BHJ. Štoviše, upotreba Ca/Al katode rezultira stvaranjem stanja međufaznog razmaka (slika kasnije), što smanjuje rekombinaciju naboja koje stvara PFB u tim uređajima i vraća napon otvorenog kruga na razinu dobivenu za optimizirani BHJ uređaj, što je rezultiralo približavanjem PCE -a 1%.

Korak 6: Slika

Dijagrami razine energije za PFB: F8BT nanočestice u prisutnosti kalcija. (a) Kalcij difundira kroz površinu nanočestica; (b) Kalcij dopira ljusku bogatu PFB-om, stvarajući stanja praznina. Prijenos elektrona događa se iz stanja ispunjenih praznina koje stvaraju kalcij; (c) Eksciton nastao na PFB -u približava se legiranom PFB materijalu (PFB*), a rupa prelazi u stanje ispunjenog prostora, stvarajući energičniji elektron; (d) Ometa se prijenos elektrona iz ekscitona generiranog na F8BT u najnižu nezauzetu molekularnu orbitu više energije PFB (LUMO) ili u ispunjenu nižu energiju PFB* LUMO.

Uređaji NP-OPV izrađeni od vodeno dispergiranog P3HT: PCBM nanočestice koje su pokazale učinkovitost pretvorbe energije (PCE) od 1,30% i najveću vanjsku kvantnu učinkovitost (EQE) od 35%. Međutim, za razliku od sustava POPB: F8BT NPOPV, uređaji P3HT: PCBM NPOPV bili su manje učinkoviti od svojih kolega za masovnu heterojukciju. Skenirajuća transmisijska rendgenska mikroskopija (STXM) otkrila je da aktivni sloj zadržava visoko strukturiranu morfologiju NP i sastoji se od NP jezgre i ljuske koja se sastoji od relativno čiste jezgre PCBM i pomiješane ljuske P3HT: PCBM (sljedeća slika). Međutim, nakon žarenja, ti NPOPV uređaji prolaze kroz opsežnu faznu segregaciju i odgovarajuće smanjenje performansi uređaja. Doista, ovaj je rad pružio objašnjenje za nižu učinkovitost žarenih P3HT: PCBM OPV uređaja, budući da toplinska obrada NP filma rezultira efektivno „prekaljenom“strukturom s grubom segregacijom faza, čime se ometa generiranje i transport naboja.

Korak 7: Sažetak izvedbe NPOPV -a

Sažetak performansi NPOPV uređaja prijavljenih u posljednjih nekoliko godina predstavljen je u

Stol. Iz tablice je jasno da su performanse NPOPV uređaja dramatično porasle, s porastom od tri reda veličine.

Korak 8: Zaključci i budući izgledi

Nedavni razvoj NPOPV premaza na vodenoj bazi predstavlja promjenu paradigme u razvoju jeftinih OPV uređaja. Ovaj pristup istodobno osigurava kontrolu morfologije i uklanja potrebu za hlapivim zapaljivim otapalima u proizvodnji uređaja; dva ključna izazova trenutnog istraživanja OPV uređaja. Doista, razvoj solarne boje na vodenoj osnovi nudi primamljivu mogućnost ispisa OPV uređaja velike površine koristeći bilo koji postojeći tiskarski pogon. Štoviše, sve se više priznaje da bi razvoj OPV sustava za ispis na vodenoj osnovi bio vrlo povoljan i da sadašnji sustavi materijala na bazi kloriranih otapala nisu prikladni za komercijalnu proizvodnju. Rad opisan u ovom pregledu pokazuje da je nova NPOPV metodologija općenito primjenjiva i da PCE -ovi NPOPV uređaja mogu biti konkurentni uređajima napravljenim od organskih otapala. Međutim, ove studije također otkrivaju da se, s gledišta materijala, NP ponašaju potpuno drugačije od polimernih mješavina dobivenih iz organskih otapala. U stvari, NP su potpuno novi materijalni sustav, pa se kao takva, stara pravila za izradu OPV uređaja, koja su naučena za OPV uređaje na organskoj osnovi, više ne primjenjuju. U slučaju NPOPV -a na bazi polifluorenskih smjesa, morfologija NP rezultira udvostručenjem učinkovitosti uređaja. Međutim, za mješavine polimer: fuleren (npr. P3HT: PCBM i P3HT: ICBA), formiranje morfologije u NP filmovima vrlo je složeno, a drugi čimbenici (poput difuzije jezgre) mogu dominirati, što rezultira neoptimiziranim strukturama uređaja i njihovom učinkovitošću. Budući izgledi za ove materijale iznimno su obećavajući, a učinkovitost uređaja povećala se s 0,004% na 4% u manje od pet godina. Sljedeća faza razvoja uključivat će razumijevanje mehanizama koji određuju strukturu NP i morfologiju NP filma te kako se oni mogu kontrolirati i optimizirati. Do danas se mogućnost upravljanja morfologijom aktivnih slojeva OPV -a na nanoskali još nije ostvarila. Međutim, nedavni rad pokazuje da primjena NP materijala može omogućiti postizanje ovog cilja.