Saulės dažai: 8 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:47

Tam tikri dažai, gaminantys tiesioginę elektros energiją nuo saulės spindulių.

Organinės fotoelektros (OPV) turi didžiulį potencialą kaip nebrangios dangos, galinčios gaminti elektros energiją tiesiai iš saulės spindulių. Šios polimerų mišinio medžiagos gali būti spausdinamos dideliu greičiu dideliuose plotuose, naudojant apdorojimo iš ritinio į ritinį metodus, sukuriantį viliojančią viziją padengti kiekvieną stogą ir kitą tinkamą pastato paviršių nebrangiomis fotoelektrinėmis medžiagomis.

1 žingsnis: NP sintezė naudojant miniemulsinį procesą

Nanodalelių gamybos metodas naudoja ultragarso energiją, tiekiamą per ultragarso ragą, įterptą į reakcijos mišinį, kad susidarytų miniemulsija (paveikslas aukščiau). Naudojant didelę šlyties jėgą, ultragarso ragas leidžia suformuoti submikrometrinius lašelius. Skysta vandeninė paviršinio aktyvumo medžiagos turinti fazė (polinė) sujungiama su organine polimero faze, ištirpinta chloroforme (nepolinė), kad susidarytų makroemulsija, po to ultragarsu suformuota miniemulsija. Polimeriniai chloroformo lašeliai sudaro dispersinę fazę su vandenine nepertraukiama faze. Tai yra įprasto polimerinių nanodalelių generavimo metodo modifikacija, kai dispersinė fazė buvo skystas monomeras.

Iškart po miniemulsinimo tirpiklis išgarinamas iš dispersinių lašelių, paliekant polimero nanodaleles. Galutinį nanodalelių dydį galima keisti keičiant pradinę paviršinio aktyvumo medžiagos koncentraciją vandeninėje fazėje.

2 žingsnis: NP sintezė naudojant kritulių metodus

Kaip alternatyva miniemulsiniam metodui, nusodinimo metodai siūlo paprastą būdą gaminti puslaidininkines polimerines nanodaleles, įpurškiant veikliosios medžiagos tirpalo į antrą prastai tirpstantį tirpiklį.

Taigi sintezė yra greita, nenaudojama paviršinio aktyvumo medžiaga, nereikalaujama kaitinimo (taigi ir jokio nanodalelių paruošimo atkaitinimo) nanodalelių sintezės fazėje ir gali būti lengvai padidinta, kad būtų galima plačiai sintezuoti medžiagą. Apskritai buvo įrodyta, kad dispersijos yra mažesnio stabilumo ir turi sudėties pasikeitimą stovint dėl lengvatinio skirtingos sudėties dalelių kritulių. Tačiau kritulių metodas suteikia galimybę įtraukti nanodalelių sintezę į aktyvaus spausdinimo proceso dalį, kai dalelės susidaro prireikus. Be to, Hirsch ir kt. parodė, kad nuosekliai išstumiant tirpiklį, galima susintetinti apverstas šerdies ir apvalkalo daleles, kai struktūrinis išdėstymas prieštarauja būdingoms medžiagų paviršiaus energijoms.

3 žingsnis: PFB: F8BT organinių fotovoltinių nanodalelių (NPOPV) medžiagų sistema

Ankstyvieji PFB galios konversijos efektyvumo matavimai: F8BT nanodalelių įtaisai, esant saulės apšvietimui, pranešė apie prietaisus, kurių Jsc = 1 × 10-5 A cm^-2 ir Voc = 1,38 V, o tai (darant prielaidą, kad geriausias neuždengto užpildymo koeficientas (FF) 0,28 iš masinio maišymo prietaisų) atitinka 0,004%PCE.

Vieninteliai kiti fotoelektriniai PFB matavimai: F8BT nanodalelių prietaisai buvo išoriniai kvantinio efektyvumo (EQE) brėžiniai. Daugiasluoksniai fotoelektriniai prietaisai, pagaminti iš PFB: F8BT nanodalelių, kurios parodė didžiausią galios konversijos efektyvumą, pastebėtą šioms polifluoreno nanodalelių medžiagoms.

Šis padidėjęs našumas buvo pasiektas kontroliuojant atskirų polimero nanodalelių komponentų paviršiaus energiją ir apdorojant polimerų nanodalelių sluoksnius po nusodinimo. Svarbu tai, kad šis darbas parodė, kad pagaminti nanodalelių organiniai fotoelektriniai (NPOPV) prietaisai buvo efektyvesni nei standartiniai mišinio įtaisai (pav. Vėliau).

4 žingsnis: pav

Nanodalelių ir birių heterojunkcinių prietaisų elektrinių charakteristikų palyginimas. a) penkių sluoksnių PFB srovės tankio ir įtampos kitimas: F8BT (poli (9, 9-dioktilfluoren-co-N, N'-bis (4-butilfenil) -N, N'-difenil-1, 4-fenilendiaminas (PFB); poli (9, 9-dioktilfluoreno-ko-benzotiadiazolo (F8BT)) nanodalelės (užpildyti apskritimai) ir masinis heterojunkcinis (atvirų apskritimų) įtaisas; b) išorinio kvantinio efektyvumo (EQE) kitimas bangos ilgis penkių sluoksnių PFB: F8BT nanodalelės (užpildyti apskritimai) ir masinis heterojunkcinis (atvirų apskritimų) įtaisas. Taip pat parodyta (punktyrinė linija) yra nanodalelių plėvelės prietaiso EQE grafikas.

Ca ir Al katodų (dviejų labiausiai paplitusių elektrodų medžiagų) poveikis OPV prietaisuose, kurių pagrindą sudaro polifluoreno mišinio vandeninės polimerinės nanodalelės (NP) dispersijos. Jie parodė, kad PFB: F8BT NPOPV įtaisai su Al ir Ca/Al katodais elgiasi kokybiškai labai panašiai, o didžiausias PCE yra ~ 0, 4% Al ir ~ 0, 8% Ca/Al, ir kad yra aiškus optimizuotas storis NP įrenginiai (kitas paveikslas). Optimalus storis yra konkuruojančių fizinių plonų plėvelių defektų taisymo ir užpildymo padarinių [32, 33] ir įtemptų įtrūkimų plonose plėvelėse pasekmė.

Optimalus sluoksnio storis šiuose įrenginiuose atitinka kritinį įtrūkimo storį (CCT), virš kurio atsiranda įtrūkimų įtrūkimai, dėl to sumažėja atsparumas šuntui ir sumažėja prietaiso veikimas.

5 žingsnis: pav

Energijos konversijos efektyvumo (PCE) variacija su PFB nusodintų sluoksnių skaičiumi: F8BT nanodalelių organinės fotoelektros (NPOPV) įtaisai, pagaminti iš Al katodo (užpildyti apskritimai) ir Ca/Al katodo (atviri apskritimai). Akiai nukreipti buvo pridėtos punktyrinės ir punktyrinės linijos. Vidutinė klaida buvo nustatyta atsižvelgiant į mažiausiai dešimties įrenginių dispersiją kiekvienam sluoksnių skaičiui.

Taigi, F8BT prietaisai padidina eksitono disociaciją, palyginti su atitinkama BHJ struktūra. Be to, naudojant Ca/Al katodą, susidaro tarpinės tarpų būsenos (vėliau pav.), Kurios sumažina PFB generuojamų krūvių rekombinaciją šiuose įrenginiuose ir atkuria atviros grandinės įtampą iki tokio lygio, koks buvo pasiektas optimizuotam BHJ įrenginiui, todėl PCE artėja prie 1%.

6 žingsnis: pav

PFB energijos lygio diagramos: F8BT nanodalelės, esant kalciui. a) kalcis difunduoja per nanodalelių paviršių; b) Kalcis papildo PFB turtingą apvalkalą, sukeldamas spragos būsenas. Elektronų perdavimas vyksta iš kalcio gaminančių užpildytų tarpų būsenų; c) PFB sukurtas eksitonas priartėja prie legiruotos PFB medžiagos (PFB*), o skylė pereina į užpildytą tarpą, sukurdama energingesnį elektroną; d) trukdomas elektronų perkėlimas iš F8BT sukurto eksitono į didesnės energijos PFB mažiausią neužimamą molekulinę orbitą (LUMO) arba užpildytą mažesnės energijos PFB* LUMO.

NP-OPV prietaisai, pagaminti iš vandenyje disperguoto P3HT: PCBM nanodalelių, kurių galios konversijos efektyvumas (PCE) buvo 1,30%, o didžiausias išorinis kvantinis efektyvumas (EQE)-35%. Tačiau, skirtingai nei PFB: F8BT NPOPV sistema, P3HT: PCBM NPOPV įrenginiai buvo mažiau efektyvūs nei jų masiniai heterojunkciniai analogai. Nuskaitymo perdavimo rentgeno mikroskopija (STXM) atskleidė, kad aktyvus sluoksnis išlaiko labai struktūruotą NP morfologiją ir apima branduolio ir apvalkalo NP, susidedančius iš palyginti grynos PCBM šerdies ir sumaišyto P3HT: PCBM apvalkalo (kitas paveikslas). Tačiau atkaitinus, šie NPOPV įtaisai yra plačiai atskirti ir atitinkamai sumažėja įrenginio veikimas. Iš tikrųjų šis darbas paaiškino mažesnį atkaitinto P3HT: PCBM OPV įtaisų efektyvumą, nes termiškai apdorojus NP plėvelę, susidaro efektyvi „perkaitinta“struktūra, kurioje atsiranda bendroji fazių segregacija, taip sutrikdant krūvio susidarymą ir transportavimą.

7 žingsnis: NPOPV veiklos santrauka

Pateikiama NPOPV įrenginių, apie kuriuos pranešta per pastaruosius kelerius metus, suvestinė

Lentelė. Iš lentelės aišku, kad NPOPV įrenginių našumas smarkiai išaugo - padidėjo tris kartus.

8 žingsnis: Išvados ir ateities perspektyvos

Neseniai sukurtos vandens pagrindu pagamintos NPOPV dangos yra paradigmos pokytis kuriant pigius OPV įrenginius. Šis metodas vienu metu užtikrina morfologijos kontrolę ir pašalina lakiųjų degiųjų tirpiklių poreikį gaminant prietaisus; du pagrindiniai dabartinių OPV įrenginių tyrimų iššūkiai. Iš tiesų, vandens pagrindu pagamintų saulės dažų kūrimas suteikia viliojančią galimybę spausdinti didelio ploto OPV įrenginius naudojant bet kurią esamą spausdinimo įrangą. Be to, vis labiau pripažįstama, kad vandens pagrindu spausdinamos OPV sistemos sukūrimas būtų labai naudingas ir kad dabartinės medžiagų sistemos, pagrįstos chloruotais tirpikliais, netinka komercinei gamybai. Šioje apžvalgoje aprašytas darbas rodo, kad naujoji NPOPV metodika yra visuotinai taikoma ir kad NPOPV įrenginių PCE gali būti konkurencingi su įrenginiais, pagamintais iš organinių tirpiklių. Tačiau šie tyrimai taip pat atskleidžia, kad medžiagų požiūriu NP elgiasi visiškai kitaip nei polimerų mišiniai, susukti iš organinių tirpiklių. Iš tikrųjų NP yra visiškai nauja medžiagų sistema, todėl senos OPV įrenginių gamybos taisyklės, kurios buvo išmoktos organiniams OPV įrenginiams, nebegalioja. NPOPV, kurių pagrindą sudaro polifluoreno mišiniai, dėl NP morfologijos prietaiso efektyvumas padvigubėja. Tačiau polimerų: fulereno mišinių (pvz., P3HT: PCBM ir P3HT: ICBA) morfologijos susidarymas NP plėvelėse yra labai sudėtingas, o kiti veiksniai (pvz., Šerdies difuzija) gali dominuoti, todėl gali atsirasti neoptimizuota prietaiso struktūra ir efektyvumas. Ateities šių medžiagų perspektyvos yra labai perspektyvios, nes prietaiso efektyvumas per mažiau nei penkerius metus padidėjo nuo 0,004% iki 4%. Kitas vystymosi etapas apima supratimą apie mechanizmus, lemiančius NP struktūrą ir NP plėvelės morfologiją, ir kaip juos galima kontroliuoti ir optimizuoti. Iki šiol gebėjimas kontroliuoti OPV aktyvių sluoksnių morfologiją nanoskalėje dar neįgyvendintas. Tačiau naujausias darbas rodo, kad NP medžiagų naudojimas gali padėti pasiekti šį tikslą.