Güneş Boyası: 8 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:19

Güneş ışığından doğrudan elektrik üreten özel bir boya.

Organik fotovoltaikler (OPV'ler), doğrudan güneş ışığından elektrik üretebilen ucuz kaplamalar olarak muazzam bir potansiyel sunar. Bu polimer karışımlı malzemeler, rulodan ruloya işleme teknikleri kullanılarak geniş alanlarda yüksek hızlarda basılabilir ve her çatının ve diğer uygun bina yüzeylerinin düşük maliyetli fotovoltaiklerle kaplanması konusunda cezbedici bir vizyon yaratır.

Adım 1: Miniemülsiyon İşlemi Yoluyla NP'lerin Sentezi

Nanoparçacık üretim yöntemi, bir miniemülsiyon oluşturmak için reaksiyon karışımına yerleştirilmiş bir ultrason boynuzu aracılığıyla iletilen ultrason enerjisini kullanır (yukarıdaki Şekil). Ultrason kornası, yüksek kesme kuvveti uygulayarak mikrometre altı damlacıkların oluşumunu mümkün kılar. Bir sıvı sulu yüzey aktif madde içeren faz (polar), bir makroemülsiyon oluşturmak için kloroform (polar olmayan) içinde çözünen bir organik polimer fazı ile birleştirilir, daha sonra bir miniemülsiyon oluşturmak üzere ultrasonikleştirilir. Polimer kloroform damlacıkları, sulu bir sürekli faz ile dağılmış fazı oluşturur. Bu, dağılmış fazın sıvı monomer olduğu polimer nanoparçacıklarının üretilmesi için olağan yöntemin bir modifikasyonudur.

Miniemülsifikasyondan hemen sonra solvent, dağılmış damlacıklardan buharlaştırma yoluyla uzaklaştırılır ve geriye polimer nanopartiküller kalır. Nihai nanoparçacık boyutu, sulu fazdaki yüzey aktif maddenin başlangıç konsantrasyonu değiştirilerek değiştirilebilir.

Adım 2: Yağış Yöntemleri Yoluyla NP'lerin Sentezi

Miniemülsiyon yaklaşımına bir alternatif olarak, çökeltme teknikleri, bir aktif madde çözeltisinin zayıf çözünürlüğe sahip ikinci bir çözücüye enjeksiyonu yoluyla yarı iletken polimer nanoparçacıkların üretimi için basit bir yol sunar.

Bu nedenle, sentez hızlıdır, yüzey aktif madde kullanmaz, nanoparçacık sentez fazında ısıtma gerektirmez (ve dolayısıyla nanoparçacıkların prefabrikasyon tavlaması gerekmez) ve malzemenin büyük ölçekli sentezi için kolaylıkla ölçeklendirilebilir. Genel olarak, dispersiyonların daha düşük stabiliteye sahip oldukları ve farklı bileşimdeki partiküllerin tercihli çökelmesine bağlı olarak bekleme üzerine bileşimsel bir değişiklik sergiledikleri gösterilmiştir. Bununla birlikte, çökeltme yaklaşımı, gerektiğinde ve gerektiğinde üretilen partiküllerle, aktif bir baskı işleminin bir parçası olarak nanopartikül sentezinin dahil edilmesi için bir fırsat sunar. Ayrıca, Hirsch ve ark. art arda çözücü yer değiştirmesiyle, yapısal düzenlemenin malzemelerin doğal yüzey enerjilerine karşı olduğu durumlarda ters çekirdek-kabuk parçacıklarının sentezlenmesinin mümkün olduğunu göstermiştir.

Adım 3: PFB:F8BT Nanopartikülat Organik Fotovoltaik (NPOPV) Malzeme Sistemi

PFB:F8BT nanoparçacık cihazlarının güneş ışığı altında güç dönüştürme verimliliğinin erken ölçümleri, Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 ve Voc = 1,38 V olan cihazları bildirdi (en iyi tahmin tavlanmamış doldurma faktörü (FF) varsayılarak) toplu harmanlama cihazlarından 0,28), %0,004'lük bir PCE'ye karşılık gelir.

PFB:F8BT nanoparçacık cihazlarının diğer fotovoltaik ölçümleri, harici kuantum verimliliği (EQE) grafikleriydi. Bu polifloren nanoparçacık malzemeleri için gözlemlenen en yüksek güç dönüştürme verimliliğini gösteren PFB:F8BT nanoparçacıklarından üretilmiş çok katmanlı fotovoltaik cihazlar.

Bu artan performans, polimer nanoparçacıktaki ayrı bileşenlerin yüzey enerjilerinin kontrolü ve polimer nanoparçacık katmanlarının biriktirme sonrası işlenmesi yoluyla elde edildi. Bu çalışma, fabrikasyon nanopartikülat organik fotovoltaik (NPOPV) cihazlarının standart karışım cihazlarından daha verimli olduğunu gösterdi (Şekil daha sonra).

4. Adım: Şekil

Nanoparçacık ve yığın heteroeklem cihazlarının elektriksel özelliklerinin karşılaştırılması. (a) Beş katmanlı bir PFB:F8BT (poli(9, 9-dioktilfloren-co-N, N'-bis(4-butilfenil)-N, N'-difenil-1, 4-fenilendiamin) (PFB); poli(9, 9-dioktilfloren-ko-benzotiadiazol (F8BT)) nanopartikülat (dolu daireler) ve toplu heteroeklem (açık daireler) cihazı; (b) Harici kuantum veriminin (EQE) ve Beş katmanlı bir PFB:F8BT nanopartikülat (dolu daireler) ve bir toplu heteroeklem (içi boş daireler) cihazı için dalga boyu. Ayrıca, nanopartikülat film cihazı için EQE grafiği de gösterilmiştir (kesik çizgi).

Polifloren karışımı sulu polimer nanoparçacık (NP) dispersiyonlarına dayalı OPV cihazlarında Ca ve Al katotlarının (en yaygın elektrot malzemelerinden ikisi) etkisi. Al ve Ca/Al katotlu PFB:F8BT NPOPV cihazlarının, Al için ~%0.4 ve Ca/Al için ~%0.8'lik bir tepe PCE ile niteliksel olarak çok benzer davranış sergilediğini ve farklı bir optimize edilmiş kalınlık olduğunu gösterdiler. NP cihazları (sonraki Şekil). Optimal kalınlık, ince filmler [32, 33] için kusurların onarılması ve doldurulmasının ve kalın filmlerde gerilme çatlamasının gelişmesinin rekabet eden fiziksel etkilerinin bir sonucudur.

Bu cihazlarda optimal tabaka kalınlığı, üzerinde gerilim çatlamasının meydana geldiği kritik çatlama kalınlığına (CCT) karşılık gelir, bu da düşük şönt direncine ve cihaz performansında bir azalmaya neden olur.

Adım 5: Şekil

PFB:F8BT nanopartikülat organik fotovoltaik (NPOPV) cihazlar için bir Al katot (dolu daireler) ve bir Ca/Al katot (açık daireler) ile üretilen güç dönüşüm verimliliğinin (PCE) biriktirilen katman sayısı ile değişimi. Gözü yönlendirmek için noktalı ve kesikli çizgiler eklendi. Her katman sayısı için en az on cihaz için varyansa dayalı olarak ortalama bir hata belirlenmiştir.

Böylece, F8BT cihazları, karşılık gelen BHJ yapısına göre eksiton ayrışmasını geliştirir. Ayrıca, bir Ca/Al katodunun kullanılması, bu cihazlarda PFB tarafından üretilen yüklerin rekombinasyonunu azaltan ve açık devre voltajını optimize edilmiş bir BHJ cihazı için elde edilen seviyeye geri getiren arayüzey boşluk durumlarının (Şekil daha sonra) yaratılmasıyla sonuçlanır., %1'e yaklaşan bir PCE ile sonuçlanır.

Adım 6: Şekil

Kalsiyum varlığında PFB:F8BT nanoparçacıkları için enerji seviyesi diyagramları. (a) Kalsiyum nanoparçacık yüzeyinden yayılır; (b) Kalsiyum, PFB açısından zengin kabuğu doldurarak boşluk durumları üretir. Elektron transferi, kalsiyum üreten dolu boşluk durumlarından meydana gelir; (c) PFB üzerinde üretilen bir eksiton, katkılı PFB malzemesine (PFB*) yaklaşır ve bir boşluk dolu boşluk durumuna geçerek daha enerjik bir elektron üretir; (d) F8BT üzerinde üretilen bir eksitondan ya yüksek enerjili PFB en düşük boş moleküler orbitale (LUMO) ya da doldurulmuş düşük enerjili PFB* LUMO'ya elektron transferi engellenir.

Suda dağılmış P3HT:PCBM nanoparçacıklarından üretilen NP-OPV cihazları, %1.30'luk güç dönüştürme verimliliği (PCE'ler) ve %35'lik tepe dış kuantum verimliliği (EQE) sergilemiştir. Ancak, PFB:F8BT NPOPV sisteminden farklı olarak, P3HT:PCBM NPOPV cihazları, toplu heterojunction muadillerinden daha az verimliydi. Taramalı transmisyon X-ışını mikroskobu (STXM), aktif katmanın yüksek düzeyde yapılandırılmış bir NP morfolojisini koruduğunu ve nispeten saf bir PCBM çekirdeği ve harmanlanmış bir P3HT:PCBM kabuğundan oluşan çekirdek-kabuk NP'lerini içerdiğini ortaya çıkardı (sonraki Şekil). Bununla birlikte, tavlama üzerine, bu NPOPV cihazları, kapsamlı faz ayrımına ve cihaz performansında buna karşılık gelen bir düşüşe maruz kalır. Aslında, bu çalışma tavlanmış P3HT:PCBM OPV cihazlarının daha düşük verimliliği için bir açıklama sağlamıştır, çünkü NP filmin ısıl işlemi, brüt faz ayrımının meydana geldiği, dolayısıyla yük oluşumunu ve taşınmasını kesintiye uğratan etkin bir şekilde "aşırı tavlanmış" bir yapı ile sonuçlanmıştır.

7. Adım: NPOPV Performansının Özeti

Son birkaç yılda rapor edilen NPOPV cihazlarının performansının bir özeti şurada sunulmaktadır:

Tablo. Tablodan, NPOPV cihazlarının performansının, üç büyüklük mertebesi artışla çarpıcı biçimde arttığı açıktır.

8. Adım: Sonuçlar ve Geleceğe Bakış

Su bazlı NPOPV kaplamaların son gelişimi, düşük maliyetli OPV cihazlarının geliştirilmesinde bir paradigma kaymasını temsil etmektedir. Bu yaklaşım aynı anda morfolojinin kontrolünü sağlar ve cihaz üretiminde uçucu yanıcı solventlere olan ihtiyacı ortadan kaldırır; Mevcut OPV cihaz araştırmasının iki temel zorluğu. Gerçekten de, su bazlı bir solar boyanın geliştirilmesi, mevcut herhangi bir baskı tesisi kullanılarak geniş alanlı OPV cihazlarının basılması konusunda cezbedici bir beklenti sunuyor. Ayrıca, su bazlı yazdırılabilir bir OPV sisteminin geliştirilmesinin son derece avantajlı olacağı ve klorlu solventlere dayalı mevcut malzeme sistemlerinin ticari ölçekli üretim için uygun olmadığı giderek daha fazla kabul edilmektedir. Bu derlemede açıklanan çalışma, yeni NPOPV metodolojisinin genel olarak uygulanabilir olduğunu ve NPOPV cihazı PCE'lerinin organik solventlerden yapılmış cihazlarla rekabet edebileceğini göstermektedir. Bununla birlikte, bu çalışmalar, malzeme açısından bakıldığında, NP'lerin organik çözücülerden eğrilmiş polimer karışımlarından tamamen farklı davrandığını da ortaya koymaktadır. Etkili bir şekilde, NP'ler tamamen yeni bir malzeme sistemidir ve bu nedenle, organik bazlı OPV cihazları için öğrenilen eski OPV cihaz üretimi kuralları artık geçerli değildir. Polifloren karışımlarına dayalı NPOPV'ler durumunda, NP morfolojisi, cihaz verimliliğinin iki katına çıkmasına neden olur. Bununla birlikte, polimer:fuleren karışımları için (örneğin, P3HT:PCBM ve P3HT:ICBA), NP filmlerinde morfoloji oluşumu oldukça karmaşıktır ve diğer faktörler (çekirdek difüzyonu gibi) baskın olabilir, bu da optimize edilmemiş cihaz yapıları ve verimlilikleri ile sonuçlanır. Beş yıldan kısa bir sürede cihaz verimliliklerinin %0,004'ten %4'e çıkmasıyla, bu malzemelerin gelecekteki görünümü son derece umut vericidir. Geliştirmenin bir sonraki aşaması, NP yapısını ve NP film morfolojisini belirleyen mekanizmaların ve bunların nasıl kontrol edilip optimize edilebileceğinin anlaşılmasını içerecektir. Bugüne kadar, nano ölçekte OPV aktif katmanlarının morfolojisini kontrol etme yeteneği henüz gerçekleştirilmemiştir. Bununla birlikte, son çalışmalar, NP malzemelerinin uygulanmasının bu hedefe ulaşılmasına izin verebileceğini göstermektedir.