צבע שמש: 8 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

צבע מסוים המייצר חשמל ישיר מאור השמש.

פוטו -וולטאיות אורגניות (OPV) מציעות פוטנציאל עצום כציפויים זולים המסוגלים לייצר חשמל ישירות מאור השמש. ניתן להדפיס חומרים אלה של תערובת פולימר במהירויות גבוהות על פני שטחים גדולים באמצעות טכניקות עיבוד גליל לרול, היוצרות את החזון המפתה של ציפוי כל גג ומשטח בנייה מתאים אחר בפוטו-וולטאיות בעלות נמוכה.

שלב 1: סינתזה של NPs באמצעות תהליך Miniemulsion

שיטת ייצור הננו -חלקיקים מנצלת אנרגיית אולטרסאונד המועברת באמצעות קרן אולטרסאונד המוחדרת לתערובת התגובה כדי ליצור מיני -תחליב (איור למעלה). קרן האולטרסאונד מאפשרת יצירת טיפות תת מיקרומטר על ידי הפעלת כוח גזירה גבוה. שלב המכיל פעילי שטח מימיים נוזליים (קוטב) משולב עם פאזה אורגנית של פולימר המומס בכלורופורם (לא קוטבי) ליצירת מקרו-אמולסיה, ולאחר מכן אולטראסוניק ליצירת מיני-תחליב. טיפות הכלורופורם הפולימריות מהוות את השלב המפוזר עם שלב רציף מימי. זהו שינוי של השיטה הרגילה ליצירת חלקיקים פולימריים בהם השלב המפוזר היה מונומר נוזלי.

מיד לאחר מינימולסיפיקציה, הממס מוסר מהטיפות המפוזרות באמצעות אידוי, ומשאיר חלקיקים פולימריים. ניתן לגוון את גודל החלקיק הסופי על ידי שינוי הריכוז ההתחלתי של פעילי שטח בשלב המימי.

שלב 2: סינתזה של NPs באמצעות שיטות משקעים

כחלופה לגישת המינימולסיה, טכניקות משקעים מציעות דרך פשוטה לייצור חלקיקים פולימריים מוליכים למחצה באמצעות הזרקת תמיסה של חומר פעיל לממס שני בעל מסיסות ירודה.

ככזה, הסינתזה היא מהירה, אינה משתמשת בחומר פעילי שטח, אינה דורשת חימום (ולכן, ללא חישול של החלקיקים) בשלב סינתזת הננו-חלקיקים וניתנת להרחבה בקלות לסינתזה של חומרים בקנה מידה גדול. באופן כללי, הפיזור הוכח כבעל יציבות נמוכה יותר ומציג שינוי בהרכב בעת עמידה בשל משקעים מועדפים של חלקיקים בעלי הרכב שונה. עם זאת, גישת המשקעים אכן מציעה את ההזדמנות להכללת סינתזת הננו -חלקיקים כחלק מתהליך הדפסה פעיל, כאשר חלקיקים נוצרים ככל שיידרש. יתר על כן, הירש ואח '. הראו כי על ידי הזזת ממסים רצופים, ניתן לסנתז חלקיקי מעטפת ליבה הפוכים היכן שהסידור המבני מנוגד לאנרגיות השטח הטבועות של החומרים.

שלב 3: מערכת החומרים PFB: F8BT Nanoparticulate אורגנית פוטו -וולטאית (NPOPV)

מדידות מוקדמות של יעילות המרת החשמל של PFB: התקני ננו -חלקיקים F8BT תחת תאורה סולארית דיווחו על מכשירים עם Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 ו- Voc = 1.38 V, אשר (בהנחה שאומדן הטוב ביותר גורם מילוי בלתי מתיר (FF) של 0.28 ממכשירי תערובת בתפזורת) תואם ל- PCE של 0.004%.

המדידות הפוטו -וולטאיות היחידות של התקני ננו -חלקיקים PFB: F8BT היו חלקות חיצוניות קוונטיות חיצוניות (EQE). התקנים פוטו -וולטאיים מרובי שכבות המיוצרים מחלקיקי PFB: F8BT, שהראו את יעילות ההמרה הגבוהה ביותר בהספק שנצפו עבור חומרים ננו -חלקיקים אלה של פוליפלואורן.

ביצועים מוגברים אלה הושגו באמצעות השליטה באנרגיות השטח של המרכיבים הבודדים בחלקיקי הפולימר ועיבוד שלאחר התצהיר של שכבות הננו-חלקיקים הפולימריים. באופן משמעותי, עבודה זו הראתה כי המכשירים הפוטו -וולטאיים אורגניים (NPOPV) מפוברקים היו יעילים יותר ממכשירי התערובת הסטנדרטיים (איור מאוחר יותר).

שלב 4: איור

השוואה בין המאפיינים החשמליים של מכשירי הטרו -צירוף ננו -חלקיקים ותפזורת. (א) וריאציה של צפיפות זרם מול מתח עבור PFB חמש שכבות: F8BT (פולי (9, 9-dioctylfluorene-co-N, N'-bis (4-butylphenyl) -N, N'-diphenyl-1, 4-פנינלדיאמין) (PFB); פולי (9, 9-דיוקטילפלואורן-קו-בנזותיאדיאזול (F8BT)) ננו-חלקיקים (עיגולים מלאים) ומכשיר הטרו-צירוף בתפזורת (עיגולים פתוחים); (ב) וריאציה של יעילות קוונטית חיצונית (EQE) לעומת. אורך גל עבור PFB בעל חמש שכבות: חלקיקים F8BT (עיגולים מלאים) והתקן הטרו-צירוף (עיגולים פתוחים) בתפזורת. כמו כן מוצג (קו מקווקו) חלקת EQE למכשיר הסרט הננו-חלקיקי.

ההשפעה של קתודות Ca ו- Al (שניים מחומרי האלקטרודה הנפוצים ביותר) במכשירי OPV המבוססים על פיזור ננו -חלקיקים פולימריים תערובת של פוליפלואורן. הם הראו כי התקני PFB: F8BT NPOPV עם קתודות Al ו- Ca/Al מפגינים התנהגות דומה מאוד מבחינה איכותית, עם שיא PCE של ~ 0.4% עבור Al ו- ~ 0.8% עבור Ca/Al, וכי יש עובי מותאם מובהק עבור התקני NP (איור הבא). העובי האופטימלי הוא תוצאה של ההשפעות הפיזיות המתחרות של תיקון ומילוי פגמים עבור סרטים דקים [32, 33] והתפתחות פיצוח מתחים בסרטים עבים.

עובי השכבה האופטימלית במכשירים אלה תואם את עובי הפיצוח הקריטי (CCT) שמעליו מתרחשת פיצוח מתחים, וכתוצאה מכך התנגדות נמוכה של שידוד והפחתת ביצועי המכשיר.

שלב 5: איור

וריאציה של יעילות המרת הספק (PCE) עם מספר השכבות המופקדות ל- PFB: התקני פוטו -וולטאיים אורגניים (NPOPV) F8BT מפוברקים עם קתודה אל (עיגולים מלאים) וקתודה Ca/Al (עיגולים פתוחים). נוספו קווים מנוקדים ומקושטים להנחיית העין. שגיאה ממוצעת נקבעה על סמך השונות של מינימום עשרה מכשירים לכל מספר שכבות.

לכן, התקני F8BT משפרים את דיסוציאציית האקסיטון ביחס למבנה ה- BHJ המקביל. יתר על כן, השימוש בקתודה Ca/Al גורמת ליצירת מצבי פער בין -פנים (איור מאוחר יותר), המפחיתים את רקומבינציה של מטענים הנוצרים על ידי ה- PFB במכשירים אלה ומחזירה מתח מעגל פתוח לרמה המתקבלת עבור מכשיר BHJ מותאם., וכתוצאה מכך PCE מתקרב ל -1%.

שלב 6: איור

דיאגרמות רמת אנרגיה עבור PFB: חלקיקים F8BT בנוכחות סידן. (א) סידן מתפזר דרך פני השטח הננו -חלקיקים; (ב) סידן מסמל את הקליפה העשירה ב- PFB, ומייצר מצבי פער. העברת אלקטרונים מתרחשת ממצבי פער מלאים בסידן; ג ד

התקני NP-OPV המיוצרים מ- P3HT מפוזר מים: חלקיקי PCBM שהציגו יעילות המרת חשמל (PCE) של 1.30% ושיעורי הקוונטים החיצוניים (EQE) בשיעור של 35%. עם זאת, בניגוד למערכת POPB: F8BT NPOPV, התקני P3HT: PCBM NPOPV היו פחות יעילים מאשר עמיתיהם הטרו -צירוף בתפזורת. סריקת מיקרוסקופ רנטגן של שידור (STXM) גילה כי השכבה הפעילה שומרת על מורפולוגיה NP מובנית ביותר וכוללת NPs קליפת ליבה המורכבת מליבת PCBM טהורה יחסית ומעטפת P3HT מעורבת: PCBM (איור הבא). עם זאת, עם חישול, התקני NPOPV אלה עוברים הפרדת פאזה נרחבת וירידה מקבילה בביצועי המכשיר. ואכן, עבודה זו סיפקה את היעילות הנמוכה יותר של מכשירי ה- P3HT: PCBM המרופדים, שכן עיבוד תרמי של סרט ה- NP גורם למבנה ביעילות "מופרז מדי" עם הפרדת פאזה גסה, ובכך משבש ייצור מטענים והובלה.

שלב 7: סיכום ביצועי NPOPV

מוצג סיכום הביצועים של מכשירי NPOPV שדווחו בשנים האחרונות

שולחן. מהטבלה ברור כי הביצועים של מכשירי NPOPV עלו באופן דרמטי, עם עלייה של שלושה סדרי גודל.

שלב 8: מסקנות ותחזית עתידית

הפיתוח האחרון של ציפויי NPOPV מבוססי מים מייצג שינוי פרדיגמה בפיתוח מכשירי OPV בעלות נמוכה. גישה זו מספקת בו זמנית שליטה על המורפולוגיה ומונעת את הצורך בממסים דליקים נדיפים בייצור מכשירים; שני אתגרים מרכזיים של מחקר מכשירי OPV הנוכחי. ואכן, פיתוח של צבע סולארי על בסיס מים מציע סיכוי מפתה להדפיס מכשירי OPV בשטח גדול באמצעות כל מתקן הדפסה קיים. יתר על כן, מוכר יותר ויותר כי פיתוח מערכת OPV להדפסה על בסיס מים תהיה יתרון רב וכי מערכות החומרים הנוכחיות המבוססות על ממיסים כלור אינן מתאימות לייצור בקנה מידה מסחרי. העבודה המתוארת בסקירה זו מראה כי מתודולוגיית NPOPV החדשה ישימה בדרך כלל וכי מחשבי PCE של מכשירי NPOPV יכולים להיות תחרותיים עם מכשירים הבנויים מממסים אורגניים. עם זאת, מחקרים אלה גם מגלים שמבחינת חומרים, NPs מתנהגים אחרת לגמרי מתערובות פולימריות שסובבו מממסים אורגניים. למעשה, ה- NPs הם מערכת חומרים חדשה לגמרי, וככזה, החוקים הישנים לייצור מכשירי OPV שנלמדו עבור מכשירי OPV מבוססי אורגני אינם חלים עוד. במקרה של NPOPV המבוססים על תערובות פוליפלואורן, המורפולוגיה של NP מביאה להכפלת יעילות המכשיר. עם זאת, לפולימר: תערובות פולרן (למשל, P3HT: PCBM ו- P3HT: ICBA), היווצרות המורפולוגיה בסרטי NP היא מורכבת ביותר, וגורמים אחרים (כגון דיפוזיה ליבה) יכולים לשלוט, וכתוצאה מכך מבני מכשירים לא יעילים ויעילות. התחזית העתידית של חומרים אלה מבטיחה ביותר, כאשר יעילות המכשירים עלתה מ- 0.004% ל -4% תוך פחות מחמש שנים. השלב הבא של הפיתוח יכלול הבנה של המנגנונים הקובעים את מבנה NP ואת מורפולוגית סרטי NP וכיצד ניתן לשלוט ולייעל אותם. עד כה, היכולת לשלוט במורפולוגיה של השכבות הפעילות של OPV בגובה הננומה טרם מומשה. עם זאת, עבודות אחרונות מדגימות כי יישום חומרי NP עשוי לאפשר להשיג מטרה זו.