Napfesték: 8 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:42

Egy különleges festék, amely közvetlen áramot termel a napfénytől.

A szerves fotovoltaikus elemek (OPV) óriási lehetőségeket kínálnak, mint olcsó bevonatok, amelyek közvetlenül a napfényből képesek áramot termelni. Ezek a polimerkeverék-anyagok nagy sebességgel nyomtathatók nagy területeken, tekercsről tekercsre történő feldolgozási technikákkal, és megteremtik a kísérteties elképzelést arról, hogy minden tetőt és más megfelelő épületfelületet alacsony költségű fotovoltaikával vonnak be.

1. lépés: NP -k szintézise a miniemulziós folyamaton keresztül

A nanorészecskék gyártási módszere a reakcióelegybe behelyezett ultrahangos kürt segítségével juttatott ultrahang energiát használja fel miniemulzió előállításához (fenti ábra). Az ultrahangos kürt lehetővé teszi szubmikrométeres cseppek kialakulását nagy nyíróerő alkalmazásával. A folyékony, vizes felületaktív anyagot tartalmazó (poláris) fázist egy kloroformban feloldott polimer szerves fázisával (nem poláris) kombinálva makroemulziót hozunk létre, majd ultrahanggal miniemulziót készítünk. A polimer kloroformcseppek alkotják a diszpergált fázist vizes folytonos fázissal. Ez a polimer nanorészecskék előállításának szokásos módszerének módosítása, ahol a diszpergált fázis folyékony monomer volt.

Közvetlenül a minimulzifikálás után az oldószert elpárologtatással eltávolítjuk a diszpergált cseppekből, így polimer nanorészecskék maradnak. A végső nanorészecskeméret a vizes fázisban a felületaktív anyag kezdeti koncentrációjának megváltoztatásával változtatható.

2. lépés: Az NP -k szintézise csapadék módszerrel

A miniemulziós megközelítés alternatívájaként a kicsapási technikák egyszerű módot kínálnak a félvezető polimer nanorészecskék előállítására az aktív anyag oldatának injektálásával a rossz oldhatóságú második oldószerbe.

Mint ilyen, a szintézis gyors, nem használ felületaktív anyagot, nem igényel melegítést (és ezért a nanorészecskék előgyártását sem) a nanorészecske szintézis fázisában, és könnyen méretezhető az anyag nagyszabású szintéziséhez. Általánosságban elmondható, hogy a diszperziók alacsonyabb stabilitást mutatnak, és összetételükben változást mutatnak állva a különböző összetételű részecskék előnyös kicsapódása miatt. A kicsapási módszer azonban lehetőséget kínál arra, hogy a nanorészecske -szintézist egy aktív nyomtatási folyamat részeként vegye fel, és szükség esetén részecskéket állítson elő. Továbbá Hirsch és mtsai. kimutatták, hogy egymást követő oldószer-elmozdítással lehetséges fordított mag-héj részecskék szintézise, ahol a szerkezeti elrendezés ellentétes az anyagok belső felületi energiáival.

3. lépés: A PFB: F8BT nanorészecskés szerves fotovoltaikus (NPOPV) anyagrendszer

A PFB teljesítménykonverziós hatékonyságának korai mérései: F8BT nanorészecskés készülékek napfényben, olyan készülékekről számoltak be, amelyek Jsc = 1 × 10-5 A cm^-2 és Voc = 1,38 V, ami (a legjobb becslés szerint nem lezárt kitöltési tényezőt (FF) feltételezve) 0,28 (ömlesztett keverésű eszközök)) 0,004%PCE -nek felel meg.

A PFB: F8BT nanorészecske eszközök egyetlen más fotovoltaikus mérése a külső kvantumhatékonysági (EQE) diagram volt. Többrétegű fotovoltaikus eszközök, amelyek PFB: F8BT nanorészecskékből készültek, amelyek a legnagyobb teljesítményátalakítási hatékonyságot mutatták ki ezeknél a polifluorén nanorészecskéknél.

Ezt a megnövelt teljesítményt a polimer nanorészecskében lévő egyes komponensek felületi energiájának szabályozásával és a polimer nanorészecskék rétegeinek utólagos feldolgozásával érte el. Lényeges, hogy ez a munka megmutatta, hogy a gyártott nanorészecskés szerves fotovoltaikus (NPOPV) eszközök hatékonyabbak voltak, mint a standard keverőeszközök (későbbi ábra).

4. lépés: ábra

A nanorészecskék és az ömlesztett heterojunkciós eszközök elektromos jellemzőinek összehasonlítása. a) Az áramsűrűség és a feszültség változása ötrétegű PFB esetén: F8BT (poli (9, 9-dioktil-fluorén-co-N, N'-bisz (4-butil-fenil) -N, N'-difenil-1, 4-fenilén-diamin) (PFB); poli (9,9-dioktil-fluorén-ko-benzotiadiazol (F8BT)) nanorészecskék (kitöltött körök) és ömlesztett heterojunkciós (nyitott kör) eszköz; b) A külső kvantumhatékonyság (EQE) és hullámhossz egy ötrétegű PFB-hez: F8BT nanorészecske (kitöltött körök) és tömeges heterojunkciós (nyitott körök) eszköz, szintén látható (szaggatott vonallal) a nanorészecskés filmkészülék EQE-diagramja.

A Ca és Al katódok (két leggyakoribb elektródaanyag) hatása a polifluorén keverék vizes polimer nanorészecske (NP) diszperziókra épülő OPV készülékekben. Megmutatták, hogy az Al és Ca/Al katódos PFB: F8BT NPOPV eszközök minőségileg nagyon hasonló viselkedést mutatnak, a PCE csúcs ~ 0,4% az Al és ~ 0,8% a Ca/Al esetében, és hogy az optimális vastagság van NP eszközök (következő ábra). Az optimális vastagság a vékony filmek hibáinak javításának és kitöltésének versengő fizikai hatásainak következménye [32, 33], valamint a vastag fóliák feszültségrepedésének kialakulása.

Ezekben az eszközökben az optimális rétegvastagság megfelel a kritikus repedési vastagságnak (CCT), amely felett feszültségrepedés következik be, ami alacsony sönt ellenállást és a készülék teljesítményének csökkenését eredményezi.

5. lépés: ábra

A teljesítménykonverziós hatékonyság (PCE) változása a PFB lerakott rétegeinek számával: F8BT nanorészecskés szerves fotovoltaikus (NPOPV) eszközök, amelyek Al katóddal (töltött körök) és Ca/Al katóddal (nyitott körök) készültek. Szaggatott és szaggatott vonalakkal egészítettük ki a szemet. Átlagos hibát határoztak meg, minden rétegszám esetén legalább tíz eszköz varianciája alapján.

Tehát az F8BT eszközök fokozzák az exciton disszociációt a megfelelő BHJ szerkezethez képest. Ezenkívül a Ca/Al katód használata határfelületi résállapotokat eredményez (későbbi ábra), amelyek csökkentik a PFB által generált töltések rekombinációját ezekben az eszközökben, és visszaállítják a nyitott áramkör feszültségét az optimalizált BHJ eszközhöz kapott szintre, ennek eredményeként a PCE megközelíti az 1%-ot.

6. lépés: ábra

Energiaszint diagramok PFB: F8BT nanorészecskékhez kalcium jelenlétében. a) a kalcium diffundál a nanorészecskék felületén; (b) A kalcium doppingolja a PFB-ben gazdag héjat, résállapotokat produkálva. Az elektronátvitel kalciumtermelő kitöltött résállapotokból történik; (c) A PFB -n generált exciton megközelíti az adalékolt PFB anyagot (PFB*), és egy lyuk átmegy a kitöltött rés állapotába, energikusabb elektronot állítva elő; (d) Az elektronátvitel az F8BT -n keletkező excitonról vagy a magasabb energiájú PFB legalacsonyabb, nem foglalt molekuláris pályára (LUMO), vagy a töltött alacsonyabb energiájú PFB* LUMO -ra akadályozódik.

A vízben diszpergált P3HT: PCBM nanorészecskékből készült NP-OPV eszközök: PCBM nanorészecskék, amelyek teljesítménykonverziós hatékonysága (PCE) 1,30% és csúcs külső kvantumhatékonysága (EQE) 35% volt. A PFB: F8BT NPOPV rendszerrel ellentétben azonban a P3HT: PCBM NPOPV eszközök kevésbé voltak hatékonyak, mint ömlesztett heterojunkciós társaik. A szkennelési átviteli röntgenmikroszkópia (STXM) kimutatta, hogy az aktív réteg megtartja az erősen strukturált NP-morfológiát, és mag-héj NP-ket tartalmaz, amelyek viszonylag tiszta PCBM magból és egy kevert P3HT: PCBM héjból állnak (következő ábra). A lágyítás után azonban ezek az NPOPV eszközök kiterjedt fázisszegregáción és ennek megfelelően az eszköz teljesítményének csökkenésén mennek keresztül. Valóban, ez a munka magyarázatot adott a lágyított P3HT: PCBM OPV eszközök alacsonyabb hatékonyságára, mivel az NP-fólia termikus feldolgozása hatékonyan „túlhevített” szerkezetet eredményez, bruttó fázisszegregációval, ami megszakítja a töltésképződést és -szállítást.

7. lépés: Az NPOPV teljesítményének összefoglalása

Az NPOPV eszközök elmúlt néhány évben jelentett teljesítményének összefoglalója itt található

Asztal. A táblázatból jól látható, hogy az NPOPV eszközök teljesítménye drámaian megnőtt, három nagyságrenddel.

8. lépés: Következtetések és jövőbeli kilátások

A vízbázisú NPOPV bevonatok közelmúltbeli fejlesztése paradigmaváltást jelent az olcsó OPV eszközök fejlesztésében. Ez a megközelítés egyidejűleg biztosítja a morfológia ellenőrzését, és kiküszöböli az illékony gyúlékony oldószerek szükségességét az eszközgyártásban; az OPV eszközkutatás két legfontosabb kihívása. Valójában a vízbázisú napelemfesték kifejlesztése kínos kilátást kínál arra, hogy nagy felületű OPV-eszközöket nyomtatjanak bármely meglévő nyomtatási lehetőséggel. Ezenkívül egyre inkább felismerik, hogy a vízalapú nyomtatható OPV rendszer kifejlesztése rendkívül előnyös lenne, és hogy a klórozott oldószereken alapuló jelenlegi anyagrendszerek nem alkalmasak kereskedelmi méretű gyártásra. Az ebben a felülvizsgálatban leírt munka azt mutatja, hogy az új NPOPV módszertan általánosan alkalmazható, és hogy az NPOPV eszköz PCE -k versenyképesek lehetnek a szerves oldószerekből készült eszközökkel. Ezek a tanulmányok azonban azt is feltárják, hogy az anyagok szempontjából az NP -k teljesen másképp viselkednek, mint a szerves oldószerekből fonott polimer keverékek. Valójában az NP-k teljesen új anyagrendszerek, és mint ilyenek, a szerves alapú OPV-eszközökre vonatkozóan az OPV-eszközök gyártására vonatkozó régi szabályok már nem érvényesek. A polifluorén keverékeken alapuló NPOPV -k esetében az NP morfológiája a készülék hatékonyságának megkétszereződését eredményezi. Azonban a polimer: fullerén keverékek (pl. P3HT: PCBM és P3HT: ICBA) esetében az NP -filmek morfológiája nagyon összetett, és más tényezők (például a mag diffúziója) dominálhatnak, ami optimalizálatlan eszközstruktúrákat és hatékonyságot eredményezhet. Ezen anyagok jövőbeli kilátásai rendkívül ígéretesek, hiszen az eszközök hatékonysága kevesebb mint öt év alatt 0,004% -ról 4% -ra nőtt. A fejlesztés következő szakaszában meg kell értenünk azokat a mechanizmusokat, amelyek meghatározzák az NP szerkezetét és az NP film morfológiáját, és hogyan lehet ezeket szabályozni és optimalizálni. A mai napig az OPV aktív rétegek nanoméretű morfológiájának szabályozásának képessége még nem valósult meg. A közelmúltban végzett munka azonban azt mutatja, hogy az NP -anyagok alkalmazása lehetővé teheti e cél elérését.