Solárna farba: 8 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Konkrétna farba, ktorá vyrába priamu elektrickú energiu zo slnečného svetla.

Organická fotovoltaika (OPV) ponúka obrovský potenciál ako lacné povlaky schopné generovať elektrickú energiu priamo zo slnečného svetla. Tieto materiály zo zmesi polymérov je možné tlačiť vysokými rýchlosťami na veľké plochy pomocou techník spracovania roll-to-roll, čo vytvára dráždivú víziu pokrytia každej strechy a iného vhodného povrchu budovy lacnou fotovoltaikou.

Krok 1: Syntéza NP pomocou procesu miniemulzie

Metóda výroby nanočastíc využíva ultrazvukovú energiu dodávanú pomocou ultrazvukového rohu vloženého do reakčnej zmesi na generovanie miniemulzie (obrázok vyššie). Ultrazvukový roh umožňuje vytváranie submikrometrových kvapôčok pôsobením vysokej šmykovej sily. Tekutá vodná fáza obsahujúca povrchovo aktívnu látku (polárna) sa spojí s organickou fázou polyméru rozpustenou v chloroforme (nepolárna), aby sa vytvorila makroemulzia, a potom sa podrobí ultrazvuku za vzniku miniemulzie. Polymérne kvapky chloroformu tvoria dispergovanú fázu s vodnou kontinuálnou fázou. Toto je modifikácia obvyklého spôsobu generovania polymérnych nanočastíc, kde dispergovanou fázou bol kvapalný monomér.

Ihneď po miniemulzifikácii sa rozpúšťadlo odstráni z dispergovaných kvapôčok odparením a zostanú polymérne nanočastice. Konečná veľkosť nanočastíc sa môže meniť zmenou počiatočnej koncentrácie povrchovo aktívnej látky vo vodnej fáze.

Krok 2: Syntéza NP pomocou zrážacích metód

Ako alternatíva k prístupu s miniemulziou ponúkajú zrážacie techniky jednoduchú cestu k výrobe polovodičových nanočastíc polyméru vstrekovaním roztoku aktívneho materiálu do druhého rozpúšťadla so slabou rozpustnosťou.

Syntéza ako taká je rýchla, nepoužíva povrchovo aktívne látky, nevyžaduje žiadne zahrievanie (a teda ani prefabrikáčné žíhanie nanočastíc) vo fáze syntézy nanočastíc a môže byť ľahko zväčšená pre rozsiahlu syntézu materiálu. Vo všeobecnosti sa ukázalo, že disperzie majú nižšiu stabilitu a vykazujú zmenu zloženia po státí v dôsledku preferenčného vyzrážania častíc rôzneho zloženia. Zrážkový prístup však ponúka príležitosť zahrnúť syntézu nanočastíc ako súčasť aktívneho procesu tlače, pričom častice sa generujú podľa potreby. Ďalej Hirsch a kol. ukázali, že postupným vytesňovaním rozpúšťadla je možné syntetizovať obrátené častice jadro-plášť, kde je štruktúrne usporiadanie v rozpore s inherentnými povrchovými energiami materiálov.

Krok 3: PFB: Nanočasticový organický fotovoltaický (NPOPV) materiálový systém F8BT

Počiatočné merania účinnosti premeny energie PFB: Zariadenia s nanočasticami F8BT pod slnečným osvetlením uviedli zariadenia s Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 a Voc = 1,38 V, ktoré (za predpokladu najlepšieho odhadu faktora nežehlivej výplne (FF) 0,28 zo zariadení na hromadnú zmes) zodpovedá PCE 0,004%.

Jedinými ďalšími fotovoltaickými meraniami zariadení s nanočasticami PFB: F8BT boli grafy externej kvantovej účinnosti (EQE). Viacvrstvové fotovoltaické zariadenia vyrobené z nanočastíc PFB: F8BT, ktoré demonštrovali najvyššiu účinnosť premeny energie pozorovanú pre tieto polyfluorénové nanočasticové materiály.

Tento zvýšený výkon bol dosiahnutý riadením povrchových energií jednotlivých zložiek v polymérnych nanočasticiach a post-depozičným spracovaním vrstiev polymérnych nanočastíc. Je dôležité, že táto práca ukázala, že vyrobené nanočasticové organické fotovoltaické zariadenia (NPOPV) boli účinnejšie ako zariadenia so štandardnou zmesou (obrázok ďalej).

Krok 4: Obrázok

Porovnanie elektrických charakteristík nanočastíc a hromadných heterojunkčných zariadení. a) Zmeny hustoty prúdu oproti napätiu pre päťvrstvový PFB: F8BT (poly (9, 9-dioktylfluorén-co-N, N'-bis (4-butylfenyl) -N, N'-difenyl-1), 4-fenyléndiamín) (PFB); poly (9, 9-dioktylfluorén-co-benzotiadiazol (F8BT)) nanočastice (plné kruhy) a zariadenie na hromadnú heterojunkciu (otvorené kruhy); b) Variácie vonkajšej kvantovej účinnosti (EQE) vs. vlnová dĺžka pre päťvrstvové nanočastice PFB: F8BT (plné kruhy) a hromadné heterojunkčné zariadenie (otvorené kruhy). Tiež je znázornená (prerušovaná čiara) diagram EQE pre nanočasticový filmový prístroj.

Účinok katód Ca a Al (dva z najbežnejších elektródových materiálov) v zariadeniach OPV na báze vodných disperzií vodných polymérnych nanočastíc (NP) zmiešaných s polyfluorénom. Ukázali, že zariadenia PFB: F8BT NPOPV s katódami Al a Ca/Al vykazujú kvalitatívne veľmi podobné správanie, s vrcholovým PCE ~ 0,4% pre Al a ~ 0,8% pre Ca/Al a že existuje výrazná optimalizovaná hrúbka pre Zariadenia NP (nasledujúci obrázok). Optimálna hrúbka je dôsledkom konkurenčných fyzikálnych účinkov opravy a vypĺňania defektov na tenkých filmoch [32, 33] a vývoja praskania napätia v hrubých filmoch.

Optimálna hrúbka vrstvy v týchto zariadeniach zodpovedá kritickej hrúbke praskania (CCT), pri prekročení ktorej dochádza k praskaniu napätím, čo má za následok nízku odolnosť voči skratu a zníženie výkonu zariadenia.

Krok 5: Obrázok

Variácia účinnosti energetickej konverzie (PCE) s počtom uložených vrstiev pre PFB: zariadenia s nanočasticovou organickou fotovoltaickou energiou (NPOPV) F8BT vyrobené s Al katódou (plné kruhy) a Ca/Al katódou (otvorené kruhy). Pre vedenie oka boli pridané bodkované a prerušované čiary. Priemerná chyba bola stanovená na základe rozptylu pre najmenej desať zariadení pre každý počet vrstiev.

Zariadenia F8BT teda zvyšujú disociáciu excitónov v porovnaní so zodpovedajúcou štruktúrou BHJ. Použitie katódy Ca/Al navyše vedie k vytváraniu stavov medzipriestorovej medzery (obrázok ďalej), ktoré znižujú rekombináciu nábojov generovaných PFB v týchto zariadeniach a obnovujú napätie v otvorenom obvode na úroveň získanú pre optimalizované zariadenie BHJ, čo má za následok PCE blížiace sa k 1%.

Krok 6: Obrázok

Diagramy energetickej hladiny pre PFB: nanočastice F8BT v prítomnosti vápnika. a) vápnik difunduje povrchom nanočastíc; b) Vápnik dopuje škrupinu bohatú na PFB a vytvára medzery. K prenosu elektrónov dochádza zo stavov vyplnenej medzery produkujúcich vápnik; c) excitón generovaný na PFB sa blíži k dopovanému materiálu PFB (PFB*) a diera sa prenesie do stavu vyplnenej medzery, čím sa vyrobí energickejší elektrón; d) Bráni sa prenosu elektrónov z excitónu generovaného na F8BT buď do PFB s vyššou energiou s najnižšou neobsadenou molekulárnou orbitou (LUMO), alebo do naplneného PFB* LUMO s nižšou energiou.

Zariadenia NP-OPV vyrobené z vo vode dispergovaného P3HT: nanočastice PCBM, ktoré vykazovali účinnosť premeny energie (PCE) 1,30% a maximálnu vonkajšiu kvantovú účinnosť (EQE) 35%. Na rozdiel od systému NPOPV PFB: F8BT však boli zariadenia NPOPV P3HT: PCBM menej účinné ako ich hromadné heterojunkčné náprotivky. Skenovací transmisný röntgenový mikroskop (STXM) odhalil, že aktívna vrstva si zachováva vysoko štruktúrovanú morfológiu NP a obsahuje NP jadro-plášť pozostávajúce z relatívne čistého jadra PCBM a zmiešaného obalu P3HT: PCBM (nasledujúci obrázok). Po žíhaní však tieto zariadenia NPOPV prechádzajú rozsiahlou fázovou segregáciou a zodpovedajúcim znížením výkonu zariadenia. Táto práca skutočne poskytla vysvetlenie pre nižšiu účinnosť žíhaných zariadení P3HT: PCBM OPV, pretože tepelné spracovanie filmu NP má za následok účinne „nadžíhanú“štruktúru s hrubou fázovou segregáciou, ktorá narušuje generovanie a transport náboja.

Krok 7: Súhrn výkonnosti NPOPV

Súhrn výkonnosti zariadení NPOPV hlásených za posledných niekoľko rokov je uvedený v

Tabuľka. Z tabuľky je zrejmé, že výkon zariadení NPOPV sa dramaticky zvýšil s nárastom o tri rády.

Krok 8: Závery a výhľad do budúcnosti

Nedávny vývoj povlakov NPOPV na vodnej báze predstavuje posun paradigmy vo vývoji nízkonákladových OPV zariadení. Tento prístup súčasne poskytuje kontrolu morfológie a eliminuje potrebu prchavých horľavých rozpúšťadiel pri výrobe zariadení; dve kľúčové výzvy súčasného výskumu zariadení OPV. Vývoj solárnej farby na vodnej báze skutočne ponúka vzrušujúcu perspektívu tlače veľkoplošných zariadení OPV pomocou akéhokoľvek existujúceho tlačového zariadenia. Okrem toho sa stále viac uznáva, že vývoj OPV systému na báze vody na tlač by bol veľmi výhodný a že súčasné systémy materiálov na báze chlórovaných rozpúšťadiel nie sú vhodné na výrobu v komerčnom meradle. Práca opísaná v tomto prehľade ukazuje, že nová metodika NPOPV je všeobecne uplatniteľná a že PCE zariadenia NPOPV môžu byť konkurencieschopné so zariadeniami vyrobenými z organických rozpúšťadiel. Tieto štúdie však tiež ukazujú, že z materiálového hľadiska sa NP správajú úplne inak ako polymérne zmesi spriadané z organických rozpúšťadiel. Účinne sú NP úplne nový materiálový systém, a preto staré pravidlá pre výrobu zariadení OPV, ktoré boli naučené pre zariadenia OPV na organickej báze, už neplatia. V prípade NPOPV na báze polyfluorénových zmesí má morfológia NP za následok zdvojnásobenie účinnosti zariadenia. Avšak v prípade zmesí polymér: fullerén (napr. P3HT: PCBM a P3HT: ICBA) je morfologická tvorba v NP filmoch veľmi zložitá a môžu dominovať ďalšie faktory (napríklad difúzia jadra), čo má za následok neoptimalizované štruktúry a účinnosti zariadení. Výhľad do budúcnosti pre tieto materiály je mimoriadne sľubný a účinnosť zariadení sa za menej ako päť rokov zvýšila z 0,004% na 4%. Ďalšia etapa vývoja bude zahŕňať porozumenie mechanizmom, ktoré určujú štruktúru NP a morfológiu filmu NP a ako ich je možné ovládať a optimalizovať. K dnešnému dňu sa schopnosť ovládať morfológiu aktívnych vrstiev OPV na nanoúrovni ešte len musí realizovať. Nedávna práca však ukazuje, že aplikácia NP materiálov môže umožniť dosiahnutie tohto cieľa.