Günəş Boya: 8 addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:46

Günəş işığından birbaşa elektrik istehsal edən xüsusi bir boya.

Üzvi fotovoltaiklər (OPV), günəş işığından birbaşa elektrik enerjisi istehsal edə bilən ucuz örtüklər kimi böyük potensial təklif edir. Bu polimer qarışıq materialları, hər bir damı və digər uyğun bina səthini aşağı qiymətli fotovoltaiklərlə örtmək üçün heyrətləndirici bir görmə yaradaraq, rulon-rulon emal üsullarından istifadə edərək geniş sahələrdə yüksək sürətlə çap edilə bilər.

Addım 1: Miniemulsiya Prosesi ilə NP -lərin Sintezi

Nanohissəcik istehsal üsulu, miniemulsiya yaratmaq üçün reaksiya qarışığına daxil edilmiş ultrasəs buynuzu vasitəsilə verilən ultrasəs enerjisindən istifadə edir (yuxarıdakı şəkil). Ultrasəs buynuzu, yüksək kəsmə qüvvəsi tətbiq etməklə sub-mikrometr damcılarının əmələ gəlməsini mümkün edir. Maye sulu səthi aktiv maddə ehtiva edən faz (polar), makroemulsiya yaratmaq üçün xloroformda (polar olmayan) həll edilmiş üzvi bir polimer fazası ilə birləşdirilir, sonra miniemulsiya yaratmaq üçün ultrasəs aparılır. Polimer xloroform damcıları sulu davamlı faza ilə dağılmış fazanı təşkil edir. Bu, dağılmış fazanın maye monomer olduğu polimer nanohissəciklər əmələ gətirmək üçün adi metodun modifikasiyasıdır.

Miniemülsifikasiyadan dərhal sonra, solvent buxarlanma yolu ilə dağılmış damcılardan çıxarılır və polimer nanohissəcikləri buraxılır. Nanohissəciklərin son ölçüsü sulu fazada səthi aktiv maddənin ilkin konsentrasiyasını dəyişməklə dəyişə bilər.

Addım 2: Yağış üsulları ilə NP -lərin sintezi

Miniemulsiya yanaşmasına alternativ olaraq, çökmə üsulları, zəif bir həll olunan ikinci bir həllediciyə aktiv bir maddənin məhlulunun vurulması yolu ilə yarıkeçirici polimer nanohissəciklərin istehsalına sadə bir yol təqdim edir.

Beləliklə, sintez sürətlidir, səthi aktiv maddə istifadə etmir, nanohissəciklərin sintez mərhələsində heç bir qızdırmaya (və buna görə də nanohissəciklərin prefabrik tavlanmasına) ehtiyac duymur və materialın geniş miqyaslı sintezi üçün asanlıqla genişləndirilə bilər. Ümumiyyətlə, dispersiyaların daha aşağı stabilliyə malik olduğu və fərqli tərkibli hissəciklərin üstünlük təşkil etməsi səbəbindən dayandıqda kompozisiya dəyişikliyi nümayiş etdirildiyi göstərilmişdir. Bununla birlikdə, çöküntü yanaşması nanohissəciklərin sintezini aktiv çap prosesinin bir hissəsi olaraq daxil etmək imkanı verir, zərrəciklər lazım olduqda yaranır. Bundan əlavə, Hirsch et al. göstərdi ki, ardıcıl həlledici yerdəyişmə ilə, struktur tənzimləməsi materialların özünəməxsus səthi enerjilərinə zidd olan ters çevrilmiş nüvəli hissəcikləri sintez etmək mümkündür.

Addım 3: PFB: F8BT Nanohissəcikli Üzvi Fotovoltaik (NPOPV) Material Sistemi

PFB -nin enerji çevrilmə səmərəliliyinin erkən ölçüləri: Günəş işığı altında F8BT nanohissəcik cihazları Jsc = 1 × 10 -5 A sm^-2 və Voc = 1.38 V olan cihazları bildirdi (ən yaxşı təxmin edilən açılmamış doldurma faktoru (FF) toplu qarışdırma cihazlarından 0,28) 0,004%PCE -ə uyğundur.

PFB: F8BT nanohissəcik cihazlarının digər fotovoltaik ölçüləri xarici kvant səmərəliliyi (EQE) planları idi. PFB: F8BT nanohissəciklərindən hazırlanan çox qatlı fotovoltaik qurğular, bu polyfluoren nanohissəcikli materiallar üçün müşahidə edilən ən yüksək güc dönüşüm səmərəliliyini nümayiş etdirdi.

Bu artan performans, polimer nanohissəciklərində ayrı-ayrı komponentlərin səth enerjilərinin idarə edilməsi və polimer nanohissəcik təbəqələrinin çöküntüdən sonrakı emalı nəticəsində əldə edilmişdir. Əhəmiyyətli olan bu iş, istehsal olunan nanohissəcikli üzvi fotovoltaik (NPOPV) cihazların standart qarışdırma cihazlarından daha səmərəli olduğunu göstərdi (Şəkil sonra).

Addım 4: Şəkil

Nanohissəciklərin və toplu heterojunction cihazlarının elektrik xüsusiyyətlərinin müqayisəsi. (a) Beş qatlı PFB üçün cərəyan və gərginlik dəyişikliyi: F8BT (poli (9, 9-dioktilfloren-co-N, N'-bis (4-butilfenil) -N, N'-difenil-1, 4-fenilenediamin) (PFB); poli (9, 9-dioktilfloren-ko-benzotiadiazol (F8BT)) nanopartikülat (dolu dairələr) və toplu heterojunction (açıq dairələr) cihazı; (b) Xarici kvant səmərəliliyinin (EQE) beş qatlı PFB üçün dalğa uzunluğu: F8BT nanohissəcikli (dolu dairələr) və toplu heterojunksiya (açıq dairələr) cihazı. Nanohissəcikli film qurğusu üçün EQE planı da göstərilmişdir (kəsikli xətt).

Polyfluorene əsaslanan OPV cihazlarında Ca və Al katotlarının (ən çox yayılmış elektrod materiallarından ikisi) sulu polimer nanohissəcik (NP) dispersiyalarına təsiri. Al və Ca/Al katotları olan PFB: F8BT NPOPV cihazlarının keyfiyyətcə çox oxşar davranış nümayiş etdirdiyini, Al üçün ~ 0.4% və Ca/Al üçün ~ 0.8% PCE zirvəsinə malik olduğunu və NP cihazları (növbəti şəkil). Optimal qalınlıq, nazik təbəqələr üçün qüsurların təmiri və doldurulmasının rəqabətli fiziki təsirlərinin [32, 33] və qalın filmlərdə gərginlik çatlamasının inkişafının nəticəsidir.

Bu qurğulardakı optimal təbəqə qalınlığı, aşağı çatma müqaviməti və cihazın performansında azalma ilə nəticələnən gərginlik çatlamasının meydana gəldiyi kritik çatlama qalınlığına (CCT) uyğundur.

Addım 5: Şəkil

PFB üçün yatırılan təbəqələrin sayına görə güc çevrilmə səmərəliliyinin (PCE) dəyişikliyi: Al katod (dolu dairələr) və Ca/Al katotu (açıq dairələr) ilə hazırlanan F8BT nanohissəcikli üzvi fotovoltaik (NPOPV) cihazları. Gözü istiqamətləndirmək üçün nöqtəli və kəsikli xətlər əlavə edilmişdir. Hər bir təbəqə sayına görə minimum on cihaz arasındakı fərqə əsaslanaraq ortalama bir səhv təyin edilmişdir.

Beləliklə, F8BT cihazları müvafiq BHJ quruluşuna nisbətən eksiton ayrılmasını artırır. Üstəlik, Ca/Al katodunun istifadəsi, bu cihazlarda PFB tərəfindən yaranan yüklərin rekombinasiyasını azaldan və açıq dövrə gərginliyini optimallaşdırılmış BHJ cihazı üçün əldə edilən səviyyəyə qaytaran interfeyslər arası boşluqların yaranması ilə nəticələnir (daha sonra şəkil). nəticədə PCE 1%-ə yaxınlaşır.

Addım 6: Şəkil

PFB üçün enerji səviyyəsi diaqramları: kalsiumun iştirakı ilə F8BT nanohissəcikləri. (a) Kalsium nanohissəcik səthindən yayılır; (b) Kalsium, PFB baxımından zəngin olan qabığı əlavə edərək boşluq vəziyyətləri yaradır. Elektron köçürülməsi kalsium istehsal edən boşluq vəziyyətlərindən baş verir; (c) PFB -də yaranan bir eksiton qatlanmış PFB materialına (PFB*) yaxınlaşır və bir deşik daha boş bir elektron istehsal edərək doldurulmuş boşluq vəziyyətinə keçir; (d) F8BT -də yaranan bir eksitondan ya daha yüksək enerjili PFB ən aşağı boş molekulyar orbitala (LUMO), ya da doldurulmuş aşağı enerjili PFB* LUMO -ya elektron ötürülməsi əngəllənir.

Suda dağılmış P3HT-dən hazırlanan NP-OPV cihazları: PCBM nanohissəcikləri 1.30% güc çevrilmə səmərəliliyi (PCE) və ən yüksək xarici kvant səmərəliliyi (EQE) 35% nümayiş etdirdi. Bununla birlikdə, PFB: F8BT NPOPV sistemindən fərqli olaraq, P3HT: PCBM NPOPV cihazları toplu heterojunction həmkarlarından daha az səmərəli idi. Tarama ötürücü X-ray mikroskopiyası (STXM), aktiv təbəqənin yüksək quruluşlu bir NP morfologiyasını saxladığını və nisbətən təmiz bir PCBM nüvəsi və qarışıq bir P3HT: PCBM qabığından ibarət olan əsas qabıqlı NP-lərdən ibarət olduğunu ortaya qoydu (növbəti şəkil). Bununla birlikdə, tavlandıqda, bu NPOPV cihazları geniş faza ayrılmasından keçir və cihazın performansında müvafiq olaraq azalma olur. Həqiqətən də, bu iş, tavlanmış P3HT: PCBM OPV cihazlarının daha aşağı səmərəliliyinin izahını verdi, çünki NP filminin termal emalı təsirli şəkildə "çox tavlanmış" bir quruluşla nəticələnir.

Addım 7: NPOPV Performansının Xülasəsi

Son bir neçə il ərzində bildirilən NPOPV cihazlarının performansının xülasəsi təqdim olunur

Cədvəl. Cədvəldən aydın olur ki, NPOPV cihazlarının performansı üç böyüklük dərəcəsi ilə kəskin şəkildə artmışdır.

Addım 8: Nəticələr və Gələcəyə baxış

Su əsaslı NPOPV örtüklərinin son inkişafı, ucuz OPV cihazlarının inkişafında bir paradiqma dəyişikliyini təmsil edir. Bu yanaşma eyni zamanda morfologiyaya nəzarəti təmin edir və cihaz istehsalında uçucu yanıcı həlledicilərə olan ehtiyacı aradan qaldırır; mövcud OPV cihaz tədqiqatının iki əsas problemi. Həqiqətən də, su əsaslı günəş boyasının hazırlanması, hər hansı bir çap qurğusundan istifadə edərək geniş ərazili OPV cihazlarını çap etmək üçün möhtəşəm bir perspektiv təqdim edir. Üstəlik, su əsaslı çap edilə bilən bir OPV sisteminin inkişaf etdirilməsinin çox sərfəli olacağı və xlorlu həlledicilərə əsaslanan mövcud material sistemlərinin kommersiya miqyaslı istehsal üçün uyğun olmadığı getdikcə daha çox qəbul edilir. Bu araşdırmada təsvir edilən iş, yeni NPOPV metodologiyasının ümumiyyətlə tətbiq oluna biləcəyini və NPOPV cihazı PCE -lərinin üzvi həlledicilərdən hazırlanan qurğularla rəqabət apara biləcəyini göstərir. Bununla birlikdə, bu araşdırmalar, NP -lərin material baxımından üzvi həlledicilərdən bükülmüş polimer qarışıqlarından tamamilə fərqli davrandığını da ortaya qoyur. Effektiv olaraq, NP-lər tamamilə yeni bir material sistemidir və buna görə də üzvi əsaslı OPV cihazları üçün öyrənilən OPV cihazlarının istehsalı üçün köhnə qaydalar artıq tətbiq edilmir. Polifloren qarışıqlarına əsaslanan NPOPV -lərdə, NP morfologiyası cihazın səmərəliliyinin ikiqat artması ilə nəticələnir. Bununla birlikdə, polimer: fulleren qarışıqları üçün (məsələn, P3HT: PCBM və P3HT: ICBA), NP filmlərində morfoloji əmələ gəlməsi olduqca mürəkkəbdir və digər amillər (nüvənin yayılması kimi) üstünlük təşkil edə bilər və nəticədə cihaz quruluşları və səmərəliliyi sonsuzdur. Bu materialların gələcək perspektivi son dərəcə perspektivlidir, çünki cihaz səmərəliliyi beş ildən az müddətdə 0,004% -dən 4% -ə yüksəldi. Növbəti inkişaf mərhələsi, NP quruluşunu və NP film morfologiyasını təyin edən mexanizmləri və bunların necə idarə oluna və optimallaşdırıla biləcəyini əhatə edəcək. Bu günə qədər nanokimyada OPV aktiv təbəqələrinin morfologiyasına nəzarət etmək qabiliyyəti hələ reallaşmamışdır. Ancaq son işlər göstərir ki, NP materiallarının tətbiqi bu məqsədə çatmağa imkan verə bilər.