Слънчева боя: 8 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Специална боя, която произвежда директно електричество от слънчевата светлина.

Органичните фотоволтаици (OPV) предлагат огромен потенциал като евтини покрития, способни да генерират електричество директно от слънчева светлина. Тези материали от полимерна смес могат да бъдат отпечатани с високи скорости на големи площи, използвайки техники за обработка от ролка до ролка, създавайки дразнещата визия за покриване на всеки покрив и друга подходяща повърхност на сградата с евтини фотоволтаици.

Стъпка 1: Синтез на NP чрез процеса на минимулсия

Методът за производство на наночастици използва ултразвукова енергия, доставена чрез ултразвуков рог, вмъкнат в реакционната смес, за генериране на миниемулсия (Фигура по -горе). Ултразвуковият клаксон позволява образуването на субмикрометрови капчици чрез прилагане на голяма сила на срязване. Течна водна фаза, съдържаща повърхностно активно вещество (полярна) се комбинира с органична фаза от полимер, разтворена в хлороформ (неполярна), за да се генерира макроемулсия, след което се ултразвукова до образуване на миниемулсия. Капките от полимерния хлороформ съставляват дисперсната фаза с водна непрекъсната фаза. Това е модификация на обичайния метод за генериране на полимерни наночастици, където дисперсната фаза е течен мономер.

Веднага след миниемулгирането разтворителят се отстранява от диспергираните капчици чрез изпаряване, оставяйки полимерни наночастици. Крайният размер на наночастиците може да се променя чрез промяна на началната концентрация на повърхностноактивно вещество във водната фаза.

Стъпка 2: Синтез на NP чрез методите на утаяване

Като алтернатива на подхода за миниемулсии, утаяващите техники предлагат лесен начин за производство на полупроводникови полимерни наночастици чрез инжектиране на разтвор на активен материал във втори разтворител с лоша разтворимост.

Като такъв, синтезът е бърз, не използва повърхностноактивно вещество, не изисква нагряване (и следователно, без предварително отгряване на наночастиците) във фазата на синтез на наночастици и лесно може да се увеличи за мащабен синтез на материал. Като цяло е показано, че дисперсиите имат по -ниска стабилност и показват промяна в състава при престоя поради преференциално утаяване на частици с различен състав. Подходът на утаяване обаче предлага възможност за включване на синтеза на наночастици като част от активен процес на печат, като частиците се генерират при необходимост. Освен това, Hirsch et al. са показали, че чрез последователно изместване на разтворителя е възможно да се синтезират обърнати частици сърцевина-обвивка, където структурното разположение е в противоречие с присъщите повърхностни енергии на материалите.

Стъпка 3: Системата от органични фотоволтаични наночастици F8BT от наночастици (NPOPV)

Ранни измервания на ефективността на преобразуване на мощността на PFB: Устройства от наночастици F8BT при слънчево осветление съобщават за устройства с Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 и Voc = 1,38 V, което (ако се приеме най -добрата оценка на коефициента на незатопено напълване (FF) 0,28 от устройства за насипно смесване) съответства на PCE от 0,004%.

Единствените други фотоволтаични измервания на устройства с наночастици PFB: F8BT бяха графики за външна квантова ефективност (EQE). Многослойни фотоволтаични устройства, произведени от PFB: F8BT наночастици, които демонстрират най -високата ефективност на преобразуване на мощността, наблюдавана за тези полифлуоренови наночастици.

Това повишено представяне е постигнато чрез контрола на повърхностните енергии на отделните компоненти в полимерната наночастица и обработката след отлагане на слоевете от полимерни наночастици. Важно е, че тази работа показа, че произведените органични фотоволтаични устройства от наночастици (NPOPV) са по -ефективни от стандартните смесителни устройства (Фигура по -късно).

Стъпка 4: Фигура

Сравнение на електрическите характеристики на устройства с наночастици и насипно хетеросъединение. а) Промяна на плътността на тока спрямо напрежението за петслоен PFB: F8BT (поли (9,9-диоктилфлуорен-ко-N, N'-бис (4-бутилфенил) -N, N'-дифенил-1, 4-фенилендиамин) (PFB); поли (9, 9-диоктилфлуорен-ко-бензотиадиазол (F8BT)) наночастици (запълнени кръгове) и устройство за насипно хетеросъединение (отворени кръгове); б) Промяна на външната квантова ефективност (EQE) vs дължината на вълната за петслоен PFB: F8BT наночастици (запълнени кръгове) и устройство за насипно хетеросъединение (отворени кръгове). Показан също (пунктирана линия) е EQE графикът за филмово устройство от наночастици.

Ефектът на Ca и Al катодите (два от най -често срещаните електродни материали) в OPV устройства на базата на полифлуоренови смеси от водни полимерни наночастици (NP) дисперсии. Те показаха, че PFB: F8BT NPOPV устройствата с Al и Ca/Al катоди проявяват качествено много подобно поведение, с пиков PCE от ~ 0.4% за Al и ~ 0.8% за Ca/Al, и че има отделна оптимизирана дебелина за NP устройства (следващата фигура). Оптималната дебелина е следствие от конкурентните физически ефекти от възстановяването и запълването на дефекти при тънки филми [32, 33] и развитието на напукване при напрежение в дебели филми.

Оптималната дебелина на слоя в тези устройства съответства на критичната дебелина на напукване (CCT), над която се получава напукване при напрежение, което води до ниско съпротивление на шунта и намаляване на производителността на устройството.

Стъпка 5: Фигура

Промяна на ефективността на преобразуване на мощността (PCE) с броя на нанесените слоеве за PFB: F8BT наночастични органични фотоволтаични (NPOPV) устройства, произведени с Al катод (запълнени кръгове) и Ca/Al катод (отворени кръгове). Добавени са пунктирани и пунктирани линии, които да насочват окото. Средната грешка е определена въз основа на вариацията за минимум десет устройства за всеки брой слоеве.

Така че, устройствата F8BT засилват дисоциацията на екситона спрямо съответната BHJ структура. Освен това използването на Ca/Al катод води до създаване на състояния на междинна междина (Фигура по -късно), които намаляват рекомбинацията на заряди, генерирани от PFB в тези устройства и възстановяват напрежението на отворената верига до нивото, получено за оптимизирано BHJ устройство, в резултат на което PCE се доближава до 1%.

Стъпка 6: Фигура

Диаграми на енергийните нива за PFB: F8BT наночастици в присъствието на калций. а) Калцият дифундира през повърхността на наночастиците; (б) Калцият допира богатата на PFB обвивка, създавайки състояния на празнини. Прехвърлянето на електрони се осъществява от състояния на запълнени празнини, произвеждащи калций; (в) Екситон, генериран върху PFB, се доближава до легирания PFB материал (PFB*) и дупка преминава в състояние на запълнена празнина, произвеждайки по -енергичен електрон; (г) Препятства се преносът на електрони от екситон, генериран на F8BT, или към най -ниската незаета молекулна орбитала с по -висока енергия PFB (LUMO), или към запълнената PFB* LUMO с по -ниска енергия.

Устройства NP-OPV, произведени от диспергиран във вода P3HT: PCBM наночастици, които показват ефективност на преобразуване на мощността (PCE) от 1,30% и пикова външна квантова ефективност (EQE) от 35%. Въпреки това, за разлика от системата POPB: F8BT NPOPV, устройствата P3HT: PCBM NPOPV бяха по -малко ефективни от техните колеги за насипно хетеросъединение. Сканиращата трансмисионна рентгенова микроскопия (STXM) разкри, че активният слой запазва силно структурирана NP морфология и включва NP-ядрови обвивки, състоящи се от относително чисто PCBM ядро и смесена P3HT: PCBM обвивка (следващата фигура). Въпреки това, след отгряване, тези NPOPV устройства преминават през обширна фазова сегрегация и съответно намаляване на производителността на устройството. Всъщност тази работа дава обяснение за по-ниската ефективност на отгорелите P3HT: PCBM OPV устройства, тъй като термичната обработка на NP филма води до ефективно „прекалено отгрята“структура с настъпване на груба фазова сегрегация, като по този начин се нарушава генерирането и транспорта на заряд.

Стъпка 7: Обобщение на резултатите от NPOPV

Обобщение на производителността на NPOPV устройствата, докладвани през последните няколко години, е представено в

Таблица. От таблицата става ясно, че производителността на NPOPV устройствата се е увеличила драстично, с увеличение от три порядъка.

Стъпка 8: Заключения и бъдещи перспективи

Неотдавнашното развитие на NPOPV покрития на водна основа представлява промяна в парадигмата при разработването на евтини OPV устройства. Този подход едновременно осигурява контрол на морфологията и елиминира необходимостта от летливи запалими разтворители в производството на устройства; две ключови предизвикателства на настоящите изследвания на OPV устройства. Всъщност разработването на слънчева боя на водна основа предлага дразнещата перспектива за отпечатване на OPV устройства с голяма площ, използвайки всяка съществуваща печатна база. Освен това все повече се признава, че разработването на OPV система за печат на водна основа би било много изгодно и че сегашните системи от материали, базирани на хлорирани разтворители, не са подходящи за производство в търговски мащаби. Описаната в този преглед работа показва, че новата методология на NPOPV е общоприложима и че PCE на NPOPV устройства могат да бъдат конкурентни с устройства, изградени от органични разтворители. Тези проучвания обаче разкриват също, че от гледна точка на материалите, NP се държат напълно различно от полимерните смеси, получени от органични разтворители. На практика NP са напълно нова материална система и като такива старите правила за производство на OPV устройства, които са научени за OPV устройства на органична основа, вече не се прилагат. В случай на NPOPV на базата на полифлуоренови смеси, морфологията на NP води до удвояване на ефективността на устройството. Въпреки това, за смеси полимер: фулерен (например, P3HT: PCBM и P3HT: ICBA), образуването на морфология в NP филмите е много сложно и други фактори (като дифузия на сърцевината) могат да доминират, което води до неоптимизирани структури и ефективност на устройството. Бъдещите перспективи за тези материали са изключително обещаващи, като ефективността на устройствата се е увеличила от 0,004% на 4% за по -малко от пет години. Следващият етап от развитието ще включва разбиране на механизмите, които определят структурата на NP и морфологията на NP филма и как те могат да бъдат контролирани и оптимизирани. Към днешна дата възможността да се контролира морфологията на активните слоеве на OPV на наноразмер все още не е реализирана. Неотдавнашната работа обаче показва, че прилагането на NP материали може да позволи постигането на тази цел.