Bojë diellore: 8 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:20

Një bojë e veçantë e cila prodhon energji elektrike direkte nga rrezet e diellit.

Fotovoltaikët organikë (OPV) ofrojnë potencial të madh si veshje të lira të afta për të gjeneruar energji elektrike drejtpërdrejt nga rrezet e diellit. Këto materiale përzierëse polimerësh mund të printohen me shpejtësi të madhe në zona të mëdha duke përdorur teknika të përpunimit roll-to-roll, duke krijuar vizionin tërheqës të veshjes së çdo kulmi dhe sipërfaqeve të tjera të përshtatshme të ndërtesës me fotovoltaikë me kosto të ulët.

Hapi 1: Sinteza e NP -ve përmes Procesit të Miniemulsionit

Metoda e fabrikimit të nanoprimcave përdor energjinë e ultrazërit të dhënë përmes një bri ultratingujsh të futur në përzierjen e reagimit për të gjeneruar një miniemulsion (Figura më sipër). Briri i ultrazërit bën të mundur formimin e pikave nën-mikrometër duke aplikuar forcë të madhe të qethjes. Një fazë e lëngshme ujore që përmban surfaktant (polare) është e kombinuar me një fazë organike të polimerit të tretur në kloroform (jo polare) për të gjeneruar një makroemulsion, pastaj tejzanor për të formuar një miniemulsion. Pikat e kloroformit polimer përbëjnë fazën e shpërndarë me një fazë të vazhdueshme ujore. Ky është një modifikim i metodës së zakonshme për gjenerimin e nanoprimcave polimer ku faza e shpërndarë ishte monomer i lëngshëm.

Menjëherë pas miniemulsifikimit, tretësi hiqet nga pikat e shpërndara nëpërmjet avullimit, duke lënë nanopartikuj polimer. Madhësia përfundimtare e nanoprimcave mund të ndryshojë duke ndryshuar përqendrimin fillestar të surfaktantit në fazën ujore.

Hapi 2: Sinteza e NP përmes metodave të reshjeve

Si një alternativë ndaj qasjes së miniemulsionit, teknikat e reshjeve ofrojnë një rrugë të thjeshtë për prodhimin e nanopartikujve gjysmëpërçues polimer përmes injektimit të një solucioni të materialit aktiv në një tretës të dytë të tretshmërisë së dobët.

Si e tillë, sinteza është e shpejtë, nuk përdor surfaktant, nuk kërkon ngrohje (dhe për këtë arsye, asnilim parafabrikimi të nanopartikujve) në fazën e sintezës së nanopartikujve dhe mund të shkallëzohet me lehtësi për sintezën në shkallë të gjerë të materialit. Në përgjithësi, shpërndarjet janë treguar të kenë qëndrueshmëri më të ulët dhe shfaqin një ndryshim përbërës gjatë qëndrimit për shkak të reshjeve preferenciale të grimcave me përbërje të ndryshme. Sidoqoftë, qasja e reshjeve ofron mundësinë për përfshirjen e sintezës së nanopartikujve si pjesë e një procesi aktiv printimi, me grimca që gjenerohen sipas nevojës. Për më tepër, Hirsch et al. kanë treguar se me zhvendosjen e njëpasnjëshme të tretësit, është e mundur të sintetizohen grimcat e përmbysura të guaskës së bërthamës ku rregullimi strukturor është në kundërshtim me energjitë e natyrshme sipërfaqësore të materialeve.

Hapi 3: Sistemi Material PFB: F8BT Nanopartikular Organik Fotovoltaik (NPOPV)

Matjet e hershme të efikasitetit të konvertimit të fuqisë së PFB: Pajisjet nanopartikulare F8BT nën ndriçim diellor raportuan pajisje me një Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 dhe Voc = 1.38 V, të cilat (duke supozuar një vlerësim më të mirë të faktorit të mbushjes së pakontrolluar (FF) prej 0.28 nga pajisjet e përzierjes me shumicë) korrespondon me një PCE prej 0.004%.

Të vetmet matje të tjera fotovoltaike të pajisjeve nanopartikale PFB: F8BT ishin komplote të jashtëm të efikasitetit kuantik (EQE). Pajisjet fotovoltaike me shumë shtresa të fabrikuara nga nanopartikalet PFB: F8BT, të cilat demonstruan efikasitetin më të lartë të konvertimit të fuqisë të vërejtur për këto materiale nanopartikale polifluorene.

Kjo rritje e performancës u arrit përmes kontrollit të energjive sipërfaqësore të përbërësve individualë në nanoprimcën polimer dhe përpunimin pas depozitimit të shtresave të nanopartikujve polimer. Në mënyrë domethënëse, kjo punë tregoi se pajisjet e fabrikuara nanopartikulare organike fotovoltaike (NPOPV) ishin më efikase sesa pajisjet standarde të përzierjes (Figura më vonë).

Hapi 4: Figura

Krahasimi i karakteristikave elektrike të pajisjeve nanopartikale dhe heterojunksioneve të mëdha. (a) Ndryshimi i densitetit të rrymës kundrejt tensionit për një PFB me pesë shtresa: F8BT (poli (9, 9-dioctylfluorene-co-N, N'-bis (4-butilfenil) -N, N'-difenil-1, 4-fenilendiamine) (PFB); poli (9, 9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole (F8BT)) nanopartikulare (qarqe të mbushura) dhe një pajisje heterojunksioni pjesa më e madhe (qarqe të hapura); (b) Ndryshimi i efikasitetit kuantik të jashtëm (EQE) vs. gjatësia e valës për një PFB me pesë shtresa: nanopartikula F8BT (rrathë të mbushur) dhe një pajisje heterojunksioni të madh (qarqe të hapura). Gjithashtu e treguar (vija e ndërprerë) është komploti EQE për pajisjen e filmit nanopartikular.

Efekti i katodave Ca dhe Al (dy nga materialet më të zakonshme të elektrodave) në pajisjet OPV bazuar në shpërndarjet e nanopartikujve të polimerit ujor (NP) të përzierjes polifluorene. Ata treguan se pajisjet PFB: F8BT NPOPV me katodë Al dhe Ca/Al shfaqin sjellje cilësisht shumë të ngjashme, me një pik PCE prej 4 0.4% për Al dhe 8 0.8% për Ca/Al, dhe se ka një trashësi të veçantë të optimizuar për Pajisjet NP (Figura tjetër). Trashësia optimale është pasojë e efekteve fizike konkurruese të riparimit dhe mbushjes së defekteve për filmat e hollë [32, 33] dhe zhvillimin e plasaritjeve të stresit në filmat e trashë.

Trashësia optimale e shtresës në këto pajisje korrespondon me trashësinë kritike të plasaritjes (CCT) mbi të cilën ndodh plasja e stresit, duke rezultuar në rezistencë të ulët të shuntit dhe një ulje të performancës së pajisjes.

Hapi 5: Figura

Ndryshimi i efikasitetit të shndërrimit të fuqisë (PCE) me numrin e shtresave të depozituara për PFB: Pajisjet F8BT nanopartikulare organike fotovoltaike (NPOPV) të fabrikuara me një katodë Al (qarqe të mbushura) dhe një katodë Ca/Al (qarqe të hapura). Linjat me pika dhe të thyera janë shtuar për të drejtuar syrin. Një gabim mesatar është përcaktuar bazuar në variancën për një minimum prej dhjetë pajisjesh për secilin numër të shtresave.

Pra, pajisjet F8BT rrisin shkëputjen e eksitonit në lidhje me strukturën përkatëse BHJ. Për më tepër, përdorimi i një katode Ca/Al rezulton në krijimin e gjendjeve të boshllëkut ndërfaqësor (Figura më vonë), të cilat zvogëlojnë rekombinimin e ngarkesave të krijuara nga PFB në këto pajisje dhe rikthen tensionin e qarkut të hapur në nivelin e marrë për një pajisje të optimizuar BHJ, duke rezultuar në një PCE që i afrohet 1%.

Hapi 6: Figura

Diagramet e nivelit të energjisë për PFB: nanoprimcat F8BT në prani të kalciumit. (a) Kalciumi shpërndahet nëpër sipërfaqen e nanopjesëzës; (b) Kalciumi kap lëkurën e pasur me PFB, duke prodhuar gjendje boshllëku. Transferimi i elektroneve ndodh nga kalciumi që prodhon gjendje të zbrazëta të mbushura; (c) Një eksiton i gjeneruar në PFB i afrohet materialit të dopifikuar të PFB (PFB*), dhe një vrimë transferohet në gjendjen e zbrazëtisë së mbushur, duke prodhuar një elektron më energjik; (d) Transferimi i elektroneve nga një eksiton i gjeneruar në F8BT ose në orbitalin molekular më të ulët të pabanuar me energji më të lartë PFB (LUMO) ose PFB* LUMO me energji më të ulët të mbushur pengohet.

Pajisjet NP-OPV të fabrikuara nga P3HT të shpërndara në ujë: nanopartikalet PCBM që shfaqën efikasitete të konvertimit të fuqisë (PCE) prej 1.30% dhe kulmin e efikasitetit kuantik të jashtëm (EQE) prej 35%. Sidoqoftë, ndryshe nga sistemi PFB: F8BT NPOPV, pajisjet P3HT: PCBM NPOPV ishin më pak efikase sesa homologët e tyre heterojunksion në masë. Mikroskopia e rrezatimit me rreze X të transmetimit (STXM) zbuloi se shtresa aktive ruan një morfologji të strukturuar NP shumë të lartë dhe përfshin NP të bërthamës që përbëhen nga një bërthamë relativisht e pastër PCBM dhe një përzierje P3HT: guaskë PCBM (Figura tjetër). Sidoqoftë, pas pjekjes, këto pajisje NPOPV i nënshtrohen ndarjes së gjerë të fazës dhe një rënie përkatëse në performancën e pajisjes. Në të vërtetë, kjo punë dha një shpjegim për efikasitetin më të ulët të pajisjeve të pjekura P3HT: PCBM OPV, meqë përpunimi termik i filmit NP rezulton në një strukturë efektivisht të "mbi-pjekur" me ndarje të fazës bruto që ndodh, duke prishur kështu gjenerimin dhe transportin e ngarkesës.

Hapi 7: Përmbledhje e Performancës së NPOPV

Një përmbledhje e performancës së pajisjeve NPOPV të raportuara gjatë viteve të fundit është paraqitur në

Tabela. Theshtë e qartë nga tabela se performanca e pajisjeve NPOPV është rritur në mënyrë dramatike, me një rritje prej tre urdhrash të madhësisë.

Hapi 8: Përfundimet dhe Perspektiva e së Ardhmes

Zhvillimi i fundit i veshjeve NPOPV me bazë uji përfaqëson një ndryshim paradigmë në zhvillimin e pajisjeve OPV me kosto të ulët. Kjo qasje siguron njëkohësisht kontroll të morfologjisë dhe eliminon nevojën për tretës të ndezshëm të paqëndrueshëm në prodhimin e pajisjeve; dy sfidat kryesore të kërkimit aktual të pajisjeve OPV. Në të vërtetë, zhvillimi i një boje diellore me bazë uji ofron një perspektivë tërheqëse të printimit të pajisjeve OPV me zona të mëdha duke përdorur çdo pajisje printimi ekzistuese. Për më tepër, gjithnjë e më shumë po njihet se zhvillimi i një sistemi OPV të printueshëm me bazë uji do të ishte shumë i favorshëm dhe se sistemet aktuale materiale të bazuara në tretës të kloruar nuk janë të përshtatshëm për prodhimin në shkallë komerciale. Puna e përshkruar në këtë përmbledhje tregon se metodologjia e re NPOPV është përgjithësisht e zbatueshme dhe se PCE -të e pajisjeve NPOPV mund të jenë konkurruese me pajisjet e ndërtuara nga tretës organikë. Sidoqoftë, këto studime gjithashtu zbulojnë se, nga pikëpamja e materialeve, NP -të sillen krejtësisht ndryshe nga përzierjet e polimerit të rrotulluar nga tretësit organikë. Në mënyrë efektive, NP-të janë një sistem material krejtësisht i ri, dhe si të tillë, rregullat e vjetra për fabrikimin e pajisjeve OPV që janë mësuar për pajisjet OPV me bazë organike nuk zbatohen më. Në rastin e NPOPV -ve të bazuara në përzierje polifluorene, morfologjia NP rezulton në dyfishimin e efikasitetit të pajisjes. Sidoqoftë, për përzierjet e polimerit: fullerenit (p.sh., P3HT: PCBM dhe P3HT: ICBA), formimi i morfologjisë në filmat NP është shumë kompleks, dhe faktorë të tjerë (të tillë si difuzioni bazë) mund të dominojnë, duke rezultuar në struktura dhe efikasitet të paoptimizuar të pajisjes. Perspektiva e ardhshme për këto materiale është jashtëzakonisht premtuese, me efikasitetin e pajisjes që është rritur nga 0.004% në 4% në më pak se pesë vjet. Faza tjetër e zhvillimit do të përfshijë kuptimin e mekanizmave që përcaktojnë strukturën e NP dhe morfologjinë e filmit NP dhe se si këto mund të kontrollohen dhe optimizohen. Deri më sot, aftësia për të kontrolluar morfologjinë e shtresave aktive të OPV në nanoshari ende nuk është realizuar. Sidoqoftë, puna e fundit demonstron se aplikimi i materialeve NP mund të lejojë arritjen e këtij qëllimi.