Solarna boja: 8 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

Posebna boja koja proizvodi direktnu električnu energiju od sunčeve svjetlosti.

Organski fotonaponi (OPV) nude ogroman potencijal kao jeftini premazi sposobni za proizvodnju električne energije direktno od sunčeve svjetlosti. Ovi materijali s mješavinom polimera mogu se štampati velikom brzinom na velikim površinama koristeći tehnike obrade valjanjem u rolu, stvarajući mučnu viziju premazivanja svakog krova i druge prikladne građevinske površine jeftinim fotonaponom.

Korak 1: Sinteza NP -a putem procesa miniemulzije

Metoda izrade nanočestica koristi ultrazvučnu energiju koja se isporučuje putem ultrazvučne trube umetnute u reakcijsku smjesu za stvaranje miniemulzije (slika gore). Ultrazvučna sirena omogućuje stvaranje kapljica podmikrometra primjenom velike sile smicanja. Tečna vodena faza koja sadrži površinski aktivne tvari (polarna) se kombinira s organskom fazom polimera otopljenom u kloroformu (nepolarnoj) da se dobije makroemulzija, zatim ultrazvučno obrađena kako bi nastala miniemulzija. Kapljice polimernog kloroforma sačinjavaju dispergovanu fazu sa vodenom kontinuiranom fazom. Ovo je modifikacija uobičajene metode za stvaranje polimernih nanočestica gdje je dispergirana faza bila 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 putem metoda 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 površinski aktivne tvari, ne zahtijeva zagrijavanje (pa samim tim ni žarenje nanočestica prije proizvodnje) u fazi sinteze nanočestica i lako se može povećati za sintezu materijala velikih razmjera. Općenito, pokazalo se da disperzije imaju manju 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 štampanja, pri čemu se čestice stvaraju po potrebi i kada je to potrebno. Nadalje, Hirsch et al. 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: Sistem materijala od organskih fotonaponskih nanočestica od nanočestica F8BT (NPOPV)

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

Jedina druga fotonaponska mjerenja uređaja sa nanočesticama PFB: F8BT bili su grafikoni vanjske kvantne efikasnosti (EQE). Višeslojni fotonaponski uređaji proizvedeni od PFB: F8BT nanočestica, koji su pokazali najveću efikasnost konverzije energije uočenu za ove polifluorenske nanočestice.

Ove povećane performanse postignute su 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 od nanočestica (NPOPV) bili učinkovitiji od standardnih mješavina (slika kasnije).

Korak 4: Slika

Usporedba električnih karakteristika nanočestica i masovnih 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-dioktilfuoren-ko-benzotiadiazol (F8BT)) nanočestice (ispunjeni krugovi) i uređaj za masovnu heterojunkciju (otvoreni krugovi); (b) Varijacije vanjske kvantne efikasnosti (EQE) vs talasna dužina za petoslojni PFB: F8BT nanočestice (ispunjeni krugovi) i masovni heterojunkcijski uređaj (otvoreni krugovi) Takođe je prikazana (isprekidana linija) EQE dijagram za uređaj sa nanočesticama.

Učinak katoda Ca i Al (dva najčešća materijala za elektrode) 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 fizičkih učinaka popravljanja i popunjavanja nedostataka tankih filmova [32, 33] i razvoja pukotina od naprezanja u debelim filmovima.

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

Korak 5: Slika

Varijacija efikasnosti pretvaranja energije (PCE) s brojem nanesenih slojeva za PFB: F8BT nanočestice organskih fotonaponskih uređaja (NPOPV) napravljenih sa Al katodom (ispunjeni krugovi) i Ca/Al katodom (otvoreni krugovi). Dodane su isprekidane i isprekidane linije koje vode oko. Prosječna greška je utvrđena na osnovu varijanse za najmanje deset uređaja za svaki broj slojeva.

Dakle, F8BT uređaji pojačavaju disocijaciju ekscitona u odnosu na odgovarajuću BHJ strukturu. Nadalje, upotreba Ca/Al katode rezultira stvaranjem stanja međufaznih zazora (slika kasnije), koja smanjuju rekombinaciju naboja koje stvara PFB u ovim uređajima i vraća napon otvorenog kruga na razinu dobivenu za optimizirani BHJ uređaj, što je rezultiralo da se PCE približi 1%.

Korak 6: Slika

Dijagrami nivoa energije za PFB: F8BT nanočestice u prisustvu kalcijuma. (a) Kalcij difundira kroz površinu nanočestica; (b) Kalcijum 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 se prebacuje u stanje ispunjene praznine, stvarajući energičniji elektron; (d) Ometa se prijenos elektrona iz ekscitona generiranog na F8BT ili na najnižu nezauzetu molekularnu orbitu više energije PFB (LUMO) ili na ispunjenu nižu energiju PFB* LUMO.

NP-OPV uređaji izrađeni od vodeno dispergiranog P3HT: PCBM nanočestice koje su pokazale efikasnost pretvaranja energije (PCE) od 1,30% i najveću vanjsku kvantnu efikasnost (EQE) od 35%. Međutim, za razliku od sistema POPB: F8BT NPOPV, uređaji P3HT: PCBM NPOPV bili su manje efikasni od svojih kolega za masovnu heterojukciju. Skenirajuća transmisijska rendgenska mikroskopija (STXM) otkrila je da aktivni sloj zadržava visoko strukturiranu NP morfologiju i da sadrži NP jezgre i ljuske koje se sastoje od relativno čistog jezgra PCBM-a i pomiješane ljuske P3HT: PCBM (sljedeća slika). Međutim, nakon žarenja, ti NPOPV uređaji prolaze kroz opsežnu faznu segregaciju i odgovarajuće smanjenje performansi uređaja. Zaista, ovaj rad je dao objašnjenje za manju efikasnost žarenih P3HT: PCBM OPV uređaja, budući da termička obrada NP filma rezultira efektivno "prežarenom" strukturom sa grubom segregacijom faza, čime se narušava stvaranje naboja i transport.

Korak 7: Sažetak performansi NPOPV -a

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

Tablica. 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 osnovi predstavlja promjenu paradigme u razvoju jeftinih OPV uređaja. Ovaj pristup istovremeno osigurava kontrolu morfologije i uklanja potrebu za hlapivim zapaljivim otapalima u proizvodnji uređaja; dva ključna izazova trenutnog istraživanja OPV uređaja. Zaista, razvoj solarne boje na vodenoj osnovi nudi primamljivu mogućnost štampanja OPV uređaja velike površine koristeći bilo koje postojeće štamparsko postrojenje. Štaviše, sve se više priznaje da bi razvoj OPV sistema za štampanje na vodenoj osnovi bio izuzetno povoljan i da sadašnji sistemi materijala zasnovani na hlornim otapalima 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 iz organskih otapala. U stvari, NP su potpuno novi materijalni sistem i kao takva, stara pravila za proizvodnju OPV uređaja koja su naučena za OPV uređaje na organskoj bazi više se ne primjenjuju. U slučaju NPOPV -a na bazi polifluorenskih mješavina, morfologija NP rezultira udvostručenjem efikasnosti 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 neoptimizovanom strukturom uređaja i efikasnošću. Budući izgledi za ove materijale su izuzetno obećavajući, s obzirom da se efikasnost uređaja povećala sa 0,004% na 4% za manje od pet godina. Sljedeća faza razvoja uključivat će razumijevanje mehanizama koji određuju strukturu NP i morfologiju NP filma i kako se oni mogu kontrolirati i optimizirati. Do danas, mogućnost kontrole morfologije aktivnih slojeva OPV -a na nanoskali još nije realizirana. Međutim, nedavni rad pokazuje da primjena NP materijala može omogućiti postizanje ovog cilja.