Päikesevärv: 8 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:48

Spetsiaalne värv, mis toodab päikesevalgusest otsest elektrit.

Orgaanilised fotogalvaanilised elemendid (OPV) pakuvad tohutut potentsiaali odavate katetena, mis suudavad toota elektrit otse päikesevalgusest. Neid polümeersegumaterjale saab printida suurel kiirusel suurtel aladel, kasutades rull-rull-töötlemise meetodeid, luues ahvatleva nägemuse katta iga katus ja muu sobiv ehituspind odavate fotogalvaaniliste elementidega.

1. samm: NP -de süntees miniemulsiooniprotsessi kaudu

Nanoosakeste valmistamise meetod kasutab ultrahelienergiat, mis edastatakse reaktsioonisegusse sisestatud ultraheli sarve kaudu, et luua miniemulsioon (joonis ülal). Ultraheli sarv võimaldab suure nihkejõuga rakendada sub-mikromeetriste tilkade moodustumist. Vedel pindaktiivset ainet sisaldav faas (polaarne) ühendatakse makroemulsiooni saamiseks kloroformis lahustatud polümeeri orgaanilise faasiga (mittepolaarne), seejärel ultraheliga, moodustades miniemulsiooni. Polümeeri kloroformi tilgad moodustavad dispergeeritud faasi pideva vesifaasiga. See on modifikatsioon tavapärasest meetodist polümeeri nanoosakeste genereerimiseks, kus hajutatud faas oli vedel monomeer.

Vahetult pärast miniemulsifikatsiooni eemaldatakse lahusti hajutatud tilkadest aurustamise teel, jättes polümeeri nanoosakesed. Lõplikku nanoosakeste suurust saab muuta, muutes pindaktiivse aine algkontsentratsiooni vesifaasis.

2. etapp: NP -de süntees sademeetodite abil

Miniemulsioonmeetodi alternatiivina pakuvad sadestustehnikad lihtsat teed pooljuhtivate polümeeri nanoosakeste tootmiseks, sisestades toimeaine lahuse teise halva lahustuvusega lahustisse.

Sellisena on süntees kiire, ei kasuta pindaktiivset ainet, ei vaja nanoosakeste sünteesi faasis kuumutamist (ja seega ka nanoosakeste eeltöödeldamist) ning seda saab hõlpsasti suurendada suuremahuliseks materjali sünteesiks. Üldiselt on näidatud, et dispersioonidel on madalam stabiilsus ja seistes muutuvad koostise muutused erineva koostisega osakeste eelistatud sadestumise tõttu. Kuid sademete lähenemisviis pakub võimalust lisada nanoosakeste süntees osana aktiivsest trükiprotsessist, kus osakesi tekitatakse vastavalt vajadusele. Lisaks on Hirsch jt. on näidanud, et järjestikuse lahusti nihutamise abil on võimalik sünteesida ümberpööratud südamiku-kesta osakesi, kus struktuuriline paigutus on vastuolus materjalide omaste pinnaenergiadega.

3. samm: PFB: F8BT nanoosakeste orgaanilise fotogalvaanilise (NPOPV) materjalide süsteem

PFB võimsuse muundamise efektiivsuse varajased mõõtmised: F8BT nanoosakeste seadmed päikesevalguse all teatasid seadmetest, mille Jsc = 1 × 10–5 A cm^-2 ja Voc = 1,38 V, mis (eeldades parimat hinnangut suletamata täiteteguriga (FF) 0,28 massisegu seadmetest) vastab PCE -le 0,004%.

Ainsad muud PFB: F8BT nanoosakeste seadmete fotogalvaanilised mõõtmised olid välised kvantitõhususe (EQE) graafikud. Mitmekihilised fotogalvaanilised seadmed, mis on valmistatud PFB: F8BT nanoosakestest, mis näitasid nende polüfluoreeni nanoosakeste materjalide puhul täheldatud suurimat võimsuse muundamise efektiivsust.

See suurenenud jõudlus saavutati polümeeri nanoosakeste üksikute komponentide pinnaenergia juhtimise ja polümeeri nanoosakeste kihtide sadestamisjärgse töötlemise kaudu. Oluline on see, et see töö näitas, et valmistatud nanoosakeste orgaanilised fotogalvaanilised (NPOPV) seadmed olid tõhusamad kui tavalised seguseadmed (joonis hiljem).

4. samm: joonis

Nanoosakeste ja lahtiste heterojunktsiooniseadmete elektriliste omaduste võrdlus. a) Viiekihilise PFB voolutiheduse ja pinge varieerumine: F8BT (polü (9,9-dioktüülfluoreen-co-N, N'-bis (4-butüülfenüül) -N, N'-difenüül-1, 4-fenüleendiamiin) (PFB); polü (9, 9-dioktüülfluoreen-ko-bensotiadiasool (F8BT)) nanoosakesed (täidetud ringid) ja lahtise heterojunktsiooni (avatud ringid) seade; (b) välise kvantitõhususe (EQE) variatsioon lainepikkus viiekihilise PFB jaoks: F8BT nanoosakesed (täidetud ringid) ja lahtise heterojunktsiooniga (avatud ringid) seade. Samuti on näidatud (katkendjoon) nanoosakeste kileseadme EQE graafik.

Ca- ja Al -katoodide (kaks kõige levinumat elektroodimaterjali) mõju OPV -seadmetes, mis põhinevad polüfluoreenisegu polümeeri vesilahuse nanoosakeste (NP) dispersioonidel. Nad näitasid, et Al- ja Ca/Al -katoodidega PFB: F8BT NPOPV -seadmed käituvad kvalitatiivselt väga sarnaselt, PCE tipp on ~ 0, 4% Al ja ~ 0, 8% Ca/Al puhul ning et selle jaoks on selgelt optimeeritud paksus. NP -seadmed (järgmine joonis). Optimaalne paksus on tingitud õhukeste kilede defektide parandamise ja täitmise konkureerivatest füüsilistest mõjudest [32, 33] ning paksude kilede pingelõhe tekkimisest.

Optimaalne kihi paksus nendes seadmetes vastab kriitilisele pragunemispaksusele (CCT), millest kõrgemal tekib pingelõhenemine, mille tulemuseks on madal šunditakistus ja seadme jõudluse vähenemine.

5. samm: joonis

Võimsuse muundamise efektiivsuse (PCE) variatsioon PFB ladestunud kihtide arvuga: F8BT nanoosakestega orgaanilised fotogalvaanilised (NPOPV) seadmed, mis on valmistatud Al -katoodiga (täidetud ringid) ja Ca/Al -katoodiga (avatud ringid). Silma suunamiseks on lisatud punktiir- ja katkendjooned. Keskmine viga on määratud dispersiooni põhjal vähemalt kümne seadme kohta iga kihi arvu kohta.

Niisiis, F8BT seadmed suurendavad eksitoni dissotsiatsiooni võrreldes vastava BHJ struktuuriga. Veelgi enam, Ca/Al -katoodi kasutamise tulemusel tekivad liidestevahelised olekud (joonis hiljem), mis vähendavad nendes seadmetes PFB -ga tekitatud laengute rekombinatsiooni ja taastavad avatud vooluahela pinge optimeeritud BHJ -seadmele, mille tulemuseks on PCE lähenemine 1%-le.

6. samm: joonis

PFB energiataseme diagrammid: F8BT nanoosakesed kaltsiumi juuresolekul. a) kaltsium hajub läbi nanoosakeste pinna; (b) Kaltsium dopeerib PFB-rikka kesta, tekitades tühikuid. Elektronide ülekanne toimub kaltsiumi tootvast täidetud tühimiku olekust; (c) PFB -l loodud eksiton läheneb legeeritud PFB -materjalile (PFB*) ja auk läheb täidetud tühiku olekusse, tekitades energilisema elektroni; (d) Elektronide ülekanne F8BT -l loodud eksitonilt kas kõrgema energiaga PFB madalaimale hõivamata molekulaarbitaalile (LUMO) või täidetud madalama energiaga PFB* LUMO on takistatud.

NP-OPV-seadmed, mis on valmistatud vees dispergeeritud P3HT-st: PCBM-i nanoosakesed, mille võimsuse muundamise efektiivsus (PCE) oli 1,30% ja tippkvaliteetne väliskvaliteet (EQE) 35%. Kuid erinevalt PFB: F8BT NPOPV süsteemist olid P3HT: PCBM NPOPV seadmed vähem tõhusad kui nende lahtised heterojunktsioonilised kolleegid. Skaneeriv edastusröntgenmikroskoopia (STXM) näitas, et aktiivne kiht säilitab kõrgelt struktureeritud NP morfoloogia ja sisaldab südamiku-kestaga NP-sid, mis koosnevad suhteliselt puhtast PCBM südamikust ja segatud P3HT: PCBM kestast (järgmine joonis). Kuid lõõmutamisel läbivad need NPOPV -seadmed ulatusliku faaside eraldamise ja vastavalt seadme jõudluse vähenemise. Tõepoolest, see töö andis selgituse lõõmutatud P3HT: PCBM OPV seadmete madalama efektiivsuse kohta, kuna NP-kile termilise töötlemise tulemuseks on tõhusalt „üle lõõmutatud“struktuur, mille faaside eraldamine toimub, häirides seega laengu teket ja transporti.

7. samm: NPOPV toimivuse kokkuvõte

Kokkuvõte viimase paari aasta jooksul teatatud NPOPV -seadmete toimivusest on esitatud

Tabel. Tabelist on selgelt näha, et NPOPV -seadmete jõudlus on järsult tõusnud ja tõusnud kolm suurusjärku.

8. samm. Järeldused ja tulevikuväljavaated

Veepõhiste NPOPV-katete hiljutine väljatöötamine kujutab endast paradigma muutust odavate OPV-seadmete väljatöötamisel. See lähenemisviis tagab samaaegselt morfoloogia kontrolli ja välistab vajaduse lenduvate tuleohtlike lahustite järele seadme tootmisel; praeguse OPV -seadme uurimise kaks peamist väljakutset. Tõepoolest, veepõhise päikesevärvi väljatöötamine pakub ahvatlevat väljavaadet suurte pindade OPV-seadmete printimiseks mis tahes olemasoleva trükiseadme abil. Lisaks on üha enam tunnustatud, et veepõhise prinditava OPV-süsteemi väljatöötamine oleks väga kasulik ja et praegused klooritud lahustitel põhinevad materjalisüsteemid ei sobi kaubanduslikuks tootmiseks. Selles ülevaates kirjeldatud töö näitab, et uus NPOPV metoodika on üldiselt kohaldatav ja NPOPV -seadme PCE -d võivad olla konkurentsivõimelised orgaanilistest lahustitest valmistatud seadmetega. Kuid need uuringud näitavad ka seda, et materjalide seisukohast käituvad NP -d täiesti erinevalt orgaanilistest lahustitest kedratud polümeerisegudest. Tegelikult on NP-d täiesti uus materjalisüsteem ja sellisena ei kehti enam orgaanilised OPV-seadmete jaoks õpitud vanad OPV-seadmete valmistamise reeglid. Polüfluoreenisegudel põhinevate NPOPV -de puhul põhjustab NP morfoloogia seadme efektiivsuse kahekordistumise. Kuid polümeeri: fullereeni segude (nt P3HT: PCBM ja P3HT: ICBA) puhul on morfoloogia moodustumine NP -filmides väga keeruline ja domineerida võivad muud tegurid (näiteks südamiku difusioon), mille tulemuseks on seadme optimeerimata struktuur ja tõhusus. Nende materjalide tulevikuväljavaated on äärmiselt paljulubavad, sest seadme efektiivsus on kasvanud vähem kui viie aastaga 0,004% -lt 4% -le. Järgmine arenguetapp hõlmab arusaamist mehhanismidest, mis määravad NP struktuuri ja NP kile morfoloogia ning kuidas neid kontrollida ja optimeerida. Praeguseks pole veel võimalik realiseerida võimalust kontrollida OPV aktiivsete kihtide morfoloogiat nanomõõtmel. Hiljutine töö näitab aga, et NP -materjalide kasutamine võib selle eesmärgi saavutada.