Ηλιακό χρώμα: 8 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Ένα συγκεκριμένο χρώμα που παράγει απευθείας ηλεκτρική ενέργεια από το φως του ήλιου.

Τα οργανικά φωτοβολταϊκά (OPV) προσφέρουν τεράστιες δυνατότητες ως φθηνά επιχρίσματα ικανά να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια απευθείας από το φως του ήλιου. Αυτά τα πολυμερή μίγματα υλικών μπορούν να εκτυπωθούν σε υψηλές ταχύτητες σε μεγάλες περιοχές χρησιμοποιώντας τεχνικές επεξεργασίας roll-to-roll, δημιουργώντας το συναρπαστικό όραμα επικάλυψης κάθε στέγης και άλλης κατάλληλης επιφάνειας κτιρίου με φωτοβολταϊκά χαμηλού κόστους.

Βήμα 1: Σύνθεση ΝΡ μέσω της διαδικασίας μικρογαλακτώματος

Η μέθοδος κατασκευής νανοσωματιδίων χρησιμοποιεί ενέργεια υπερήχων που παρέχεται μέσω ενός κέρατος υπερήχων που εισάγεται στο μίγμα της αντίδρασης για να δημιουργήσει ένα μίνι γαλάκτωμα (Εικόνα παραπάνω). Η κόρνα υπερήχων καθιστά δυνατή τη δημιουργία σταγονιδίων κάτω από το μικρόμετρο εφαρμόζοντας υψηλή δύναμη διάτμησης. Μια υγρή υδατική φάση που περιέχει επιφανειοδραστικό (πολική) συνδυάζεται με μια οργανική φάση πολυμερούς διαλυμένη σε χλωροφόρμιο (μη πολικό) για να δημιουργήσει ένα μακρογαλάκτωμα, στη συνέχεια υπερηχητικά υπερηχητικά για να σχηματίσει ένα μικρογαλάκτωμα. Τα σταγονίδια πολυμερούς χλωροφορμίου αποτελούν τη διασπαρμένη φάση με μια υδατική συνεχή φάση. Αυτή είναι μια τροποποίηση της συνηθισμένης μεθόδου για τη δημιουργία νανοσωματιδίων πολυμερούς όπου η διασπαρμένη φάση ήταν υγρό μονομερές.

Αμέσως μετά τη μικρογαλακτωματοποίηση, ο διαλύτης απομακρύνεται από τα διασκορπισμένα σταγονίδια μέσω εξάτμισης, αφήνοντας νανοσωματίδια πολυμερούς. Το τελικό μέγεθος νανοσωματιδίων μπορεί να μεταβληθεί αλλάζοντας την αρχική συγκέντρωση επιφανειοδραστικού στην υδατική φάση.

Βήμα 2: Σύνθεση ΝΡ μέσω μεθόδων βροχόπτωσης

Ως εναλλακτική λύση στην προσέγγιση του μίνι γαλακτώματος, οι τεχνικές καθίζησης προσφέρουν μια απλή οδό για την παραγωγή νανοσωματιδίων ημιαγωγών πολυμερών μέσω έγχυσης διαλύματος ενεργού υλικού σε δεύτερο διαλύτη κακής διαλυτότητας.

Ως εκ τούτου, η σύνθεση είναι γρήγορη, δεν χρησιμοποιεί επιφανειοδραστικό, δεν απαιτεί θέρμανση (και επομένως, ανόπτηση προκατασκευής των νανοσωματιδίων) στη φάση σύνθεσης νανοσωματιδίων και μπορεί εύκολα να κλιμακωθεί για τη σύνθεση υλικού μεγάλης κλίμακας. Σε γενικές γραμμές, οι διασπορές έχουν αποδειχθεί ότι έχουν χαμηλότερη σταθερότητα και παρουσιάζουν μια αλλαγή σύνθεσης κατά την παραμονή τους λόγω προτιμησιακής καθίζησης σωματιδίων διαφορετικής σύνθεσης. Ωστόσο, η προσέγγιση καθίζησης προσφέρει την ευκαιρία για συμπερίληψη της σύνθεσης νανοσωματιδίων ως μέρος μιας ενεργής διαδικασίας εκτύπωσης, με σωματίδια να δημιουργούνται όπως και όταν απαιτείται. Επιπλέον, οι Hirsch et al. έχουν δείξει ότι με διαδοχική μετατόπιση του διαλύτη, είναι δυνατή η σύνθεση ανεστραμμένων σωματιδίων πυρήνα-κελύφους όπου η δομική διάταξη είναι αντίθετη με τις εγγενείς ενεργειακές επιφάνειες των υλικών.

Βήμα 3: Το υλικό υλικό PFB: F8BT Nanoparticulate Organic Photovoltaic (NPOPV)

Πρώιμες μετρήσεις της αποδοτικότητας μετατροπής ισχύος των PFB: Συσκευές νανοσωματιδίων F8BT υπό ηλιακό φωτισμό ανέφεραν συσκευές με Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 και Voc = 1,38 V, οι οποίες (υποθέτοντας μια καλύτερη εκτίμηση μη συντελεστής πλήρωσης (FF) 0,28 από συσκευές μαζικής ανάμειξης) αντιστοιχεί σε PCE 0,004%.

Οι μόνες άλλες φωτοβολταϊκές μετρήσεις των συσκευών νανοσωματιδίων PFB: F8BT ήταν εξωτερικές γραφήματα κβαντικής απόδοσης (EQE). Πολυεπίπεδες φωτοβολταϊκές συσκευές κατασκευασμένες από νανοσωματίδια PFB: F8BT, οι οποίες κατέδειξαν τις υψηλότερες αποδοτικότητες μετατροπής ισχύος που παρατηρήθηκαν για αυτά τα νανοσωματίδια πολυφθορολενίου.

Αυτή η αυξημένη απόδοση επιτεύχθηκε μέσω του ελέγχου των επιφανειακών ενεργειών των επιμέρους συστατικών στο νανοσωματίδιο πολυμερούς και της επεξεργασίας μετά την εναπόθεση των στιβάδων νανοσωματιδίων πολυμερούς. Είναι αξιοσημείωτο ότι αυτή η εργασία έδειξε ότι οι κατασκευασμένες νανοσωματιδιακές οργανικές φωτοβολταϊκές συσκευές (NPOPV) ήταν πιο αποδοτικές από τις τυπικές συσκευές ανάμειξης (Εικόνα αργότερα).

Βήμα 4: Εικόνα

Σύγκριση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των συσκευών ετεροσύνδεσης νανοσωματιδίων και χύδην. (α) Μεταβολή της πυκνότητας του ρεύματος έναντι της τάσης για ένα PFB πέντε στρωμάτων: F8BT (πολυ (9, 9-διοκτυλοφθοριο-συν-Ν, Ν'-δις (4-βουτυλοφαινυλο) -Ν, Ν'-διφαινυλο-1, 4-φαινυλενοδιαμίνη) (PFB) · πολυ (9, 9-διοκτυλοφθορο-συν-βενζοθειαδιαζόλη (F8BT)) νανοσωματιδιακή (γεμάτοι κύκλοι) και μια συσκευή μαζικής ετεροσύνδεσης (ανοιχτοί κύκλοι) · β) Παραλλαγή εξωτερικής κβαντικής απόδοσης (EQE) έναντι μήκος κύματος για ένα PFB πέντε στρωμάτων: νανοσωματιδιακή F8BT (γεμάτοι κύκλοι) και μια συσκευή μαζικής ετεροσύνδεσης (ανοιχτοί κύκλοι). Επίσης εμφανίζεται (διακεκομμένη γραμμή) το διάγραμμα EQE για τη συσκευή μεμβράνης νανοσωματιδίων.

Η επίδραση των καθόδων Ca και Al (δύο από τα πιο κοινά υλικά ηλεκτροδίων) σε συσκευές OPV που βασίζονται σε διασπορές υδατικών νανοσωματιδίων πολυμερούς (NP). Έδειξαν ότι οι συσκευές PFB: F8BT NPOPV με κάθοδο Al και Ca/Al παρουσιάζουν ποιοτικά πολύ παρόμοια συμπεριφορά, με κορυφαίο PCE ~ 0,4% για Al και ~ 0,8% για Ca/Al, και ότι υπάρχει ένα ξεχωριστό βελτιστοποιημένο πάχος για Συσκευές NP (επόμενο σχήμα). Το βέλτιστο πάχος είναι συνέπεια των ανταγωνιστικών φυσικών επιδράσεων της επιδιόρθωσης και πλήρωσης ελαττωμάτων για λεπτές μεμβράνες [32, 33] και της ανάπτυξης ρωγμών καταπόνησης σε παχιά φιλμ.

Το βέλτιστο πάχος στρώματος σε αυτές τις συσκευές αντιστοιχεί στο κρίσιμο πάχος ρωγμής (CCT) πάνω από το οποίο εμφανίζεται ρωγμή τάσης, με αποτέλεσμα χαμηλή αντίσταση διακλάδωσης και μείωση της απόδοσης της συσκευής.

Βήμα 5: Εικόνα

Παραλλαγή της αποδοτικότητας μετατροπής ισχύος (PCE) με τον αριθμό των εναποτιθέμενων στρωμάτων για συσκευές PFB: F8BT νανοσωματιδιακές οργανικές φωτοβολταϊκές (NPOPV) κατασκευασμένες με κάθοδο Al (γεμάτους κύκλους) και κάθοδο Ca/Al (ανοιχτούς κύκλους). Προστέθηκαν διακεκομμένες και διακεκομμένες γραμμές για να καθοδηγήσουν το μάτι. Ένα μέσο σφάλμα έχει καθοριστεί με βάση τη διακύμανση για τουλάχιστον δέκα συσκευές για κάθε αριθμό στρωμάτων.

Έτσι, οι συσκευές F8BT ενισχύουν τη διάσπαση του εξιτονίου σε σχέση με την αντίστοιχη δομή BHJ. Επιπλέον, η χρήση μιας καθόδου Ca/Al οδηγεί στη δημιουργία καταστάσεων διαχωριστικών χώρων (Εικόνα αργότερα), οι οποίες μειώνουν τον ανασυνδυασμό των φορτίων που δημιουργούνται από το PFB σε αυτές τις συσκευές και επαναφέρουν την τάση του ανοικτού κυκλώματος στο επίπεδο που λαμβάνεται για μια βελτιστοποιημένη συσκευή BHJ, με αποτέλεσμα ένα PCE να πλησιάζει το 1%.

Βήμα 6: Εικόνα

Διαγράμματα ενεργειακού επιπέδου για νανοσωματίδια PFB: F8BT παρουσία ασβεστίου. (α) Το ασβέστιο διαχέεται μέσω της επιφάνειας των νανοσωματιδίων. (β) Το ασβέστιο απορροφά το πλούσιο σε PFB κέλυφος, δημιουργώντας καταστάσεις διακένου. Η μεταφορά ηλεκτρονίων πραγματοποιείται από καταστάσεις γεμάτου κενού που παράγει ασβέστιο. (γ) Ένα διέγερση που δημιουργείται στο PFB πλησιάζει το ντοπαρισμένο υλικό PFB (PFB*) και μια τρύπα μεταφέρεται στην κατάσταση γεμάτου χάσματος, παράγοντας ένα πιο ενεργητικό ηλεκτρόνιο. (δ) Εμποδίζεται η μεταφορά ηλεκτρονίου από ένα εξίτον που παράγεται στο F8BT είτε στο χαμηλότερο μη απασχολημένο μοριακό τροχιακό PFB (LUMO) υψηλότερης ενέργειας είτε στο PFB* LUMO χαμηλότερης ενέργειας.

Συσκευές NP-OPV κατασκευασμένες από διασκορπισμένα στο νερό νανοσωματίδια P3HT: PCBM που παρουσίασαν αποδοτικότητα μετατροπής ισχύος (PCE) 1,30% και κορυφαία εξωτερική κβαντική απόδοση (EQE) 35%. Ωστόσο, σε αντίθεση με το σύστημα PFB: F8BT NPOPV, οι συσκευές P3HT: PCBM NPOPV ήταν λιγότερο αποδοτικές από τις ομολογίες ετεροσύνδεσης μαζικής παραγωγής. Η σάρωση μικροσκοπίας ακτίνων Χ μετάδοσης (STXM) αποκάλυψε ότι το ενεργό στρώμα διατηρεί μια εξαιρετικά δομημένη μορφολογία ΝΡ και περιλαμβάνει ΝΡ πυρήνα-κελύφους που αποτελούνται από έναν σχετικά καθαρό πυρήνα PCBM και ένα μικτό κέλυφος P3HT: PCBM (επόμενο σχήμα). Ωστόσο, κατά την ανόπτηση, αυτές οι συσκευές NPOPV υφίστανται εκτεταμένο διαχωρισμό φάσεων και αντίστοιχη μείωση στην απόδοση της συσκευής. Πράγματι, αυτή η εργασία έδωσε μια εξήγηση για τη χαμηλότερη απόδοση των συσκευών ανόπτησης P3HT: PCBM OPV, καθώς η θερμική επεξεργασία της μεμβράνης NP οδηγεί σε μια αποτελεσματικά «υπερ-ανοπτημένη» δομή με διαχωρισμό μικτής φάσης, διαταράσσοντας έτσι τη δημιουργία και τη μεταφορά φορτίου.

Βήμα 7: Περίληψη της απόδοσης NPOPV

Μια περίληψη της απόδοσης των συσκευών NPOPV που αναφέρθηκαν τα τελευταία χρόνια παρουσιάζεται στο

Τραπέζι. Είναι σαφές από τον πίνακα ότι η απόδοση των συσκευών NPOPV έχει αυξηθεί δραματικά, με άνοδο τριών τάξεων μεγέθους.

Βήμα 8: Συμπεράσματα και μελλοντικές προοπτικές

Η πρόσφατη ανάπτυξη επικαλύψεων NPOPV με βάση το νερό αντιπροσωπεύει μια αλλαγή παραδείγματος στην ανάπτυξη συσκευών OPV χαμηλού κόστους. Αυτή η προσέγγιση παρέχει ταυτόχρονα έλεγχο της μορφολογίας και εξαλείφει την ανάγκη για πτητικούς εύφλεκτους διαλύτες στην παραγωγή συσκευών. δύο βασικές προκλήσεις της τρέχουσας έρευνας για συσκευές OPV. Πράγματι, η ανάπτυξη ενός ηλιακού χρώματος με βάση το νερό προσφέρει τη συναρπαστική προοπτική εκτύπωσης συσκευών OPV μεγάλης έκτασης χρησιμοποιώντας οποιαδήποτε υπάρχουσα εγκατάσταση εκτύπωσης. Επιπλέον, αναγνωρίζεται όλο και περισσότερο ότι η ανάπτυξη ενός εκτυπώσιμου συστήματος OPV με βάση το νερό θα ήταν ιδιαίτερα συμφέρουσα και ότι τα τρέχοντα συστήματα υλικών που βασίζονται σε χλωριωμένους διαλύτες δεν είναι κατάλληλα για παραγωγή σε εμπορική κλίμακα. Η εργασία που περιγράφεται σε αυτήν την ανασκόπηση δείχνει ότι η νέα μεθοδολογία NPOPV είναι γενικά εφαρμόσιμη και ότι τα PCE συσκευών NPOPV μπορούν να είναι ανταγωνιστικά με συσκευές κατασκευασμένες από οργανικούς διαλύτες. Ωστόσο, αυτές οι μελέτες αποκαλύπτουν επίσης ότι, από την άποψη των υλικών, τα ΝΡ συμπεριφέρονται εντελώς διαφορετικά από τα μείγματα πολυμερών που περιστρέφονται από οργανικούς διαλύτες. Ουσιαστικά, τα NP είναι ένα εντελώς νέο σύστημα υλικών, και ως εκ τούτου, οι παλιοί κανόνες για την κατασκευή συσκευών OPV που έχουν μάθει για συσκευές OPV βιολογικής βάσης δεν ισχύουν πλέον. Στην περίπτωση των NPOPVs που βασίζονται σε μίγματα πολυφθορολίου, η μορφολογία NP οδηγεί σε διπλασιασμό της απόδοσης της συσκευής. Ωστόσο, για μίγματα πολυμερών: φουλλερενίου (π.χ., P3HT: PCBM και P3HT: ICBA), ο σχηματισμός μορφολογίας στις μεμβράνες NP είναι πολύ περίπλοκος και άλλοι παράγοντες (όπως η διάχυση του πυρήνα) μπορούν να κυριαρχήσουν, με αποτέλεσμα μη βελτιστοποιημένες δομές συσκευών και αποτελεσματικότητες. Οι μελλοντικές προοπτικές για αυτά τα υλικά είναι εξαιρετικά ελπιδοφόρες, με την απόδοση των συσκευών να έχει αυξηθεί από 0,004% σε 4% σε λιγότερο από πέντε χρόνια. Το επόμενο στάδιο ανάπτυξης θα περιλαμβάνει την κατανόηση των μηχανισμών που καθορίζουν τη δομή του NP και τη μορφολογία του φιλμ NP και πώς μπορούν να ελεγχθούν και να βελτιστοποιηθούν. Μέχρι σήμερα, η ικανότητα ελέγχου της μορφολογίας των ενεργών στρωμάτων OPV στη νανοκλίμακα δεν έχει ακόμη πραγματοποιηθεί. Ωστόσο, πρόσφατες εργασίες καταδεικνύουν ότι η εφαρμογή υλικών NP μπορεί να επιτρέψει την επίτευξη αυτού του στόχου.