Solar Paint: 8 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

En speciell färg som producerar direkt el från solljuset.

Organisk fotovoltaik (OPV) har en enorm potential som billiga beläggningar som kan generera elektricitet direkt från solljus. Dessa polymerblandningsmaterial kan skrivas ut med höga hastigheter över stora områden med hjälp av rull-till-rull-bearbetningstekniker, vilket skapar en spännande vision att belägga varje tak och annan lämplig byggyta med billiga solceller.

Steg 1: Syntes av NP via miniemulsionsprocessen

Metoden för tillverkning av nanopartiklar använder ultraljudsenergi som levereras via ett ultraljudshorn som sätts in i reaktionsblandningen för att generera en miniemulsion (Figur ovan). Ultraljudshorn gör det möjligt att bilda sub-mikrometer droppar genom att använda hög skjuvkraft. En vätskehaltig ytaktant innehållande fas (polär) kombineras med en organisk fas av polymer upplöst i kloroform (opolär) för att generera en makroemulsion, därefter ultraljudsbildad för att bilda en miniemulsion. Polymerkloroformdropparna utgör den dispergerade fasen med en vattenhaltig kontinuerlig fas. Detta är en modifiering av den vanliga metoden för att generera polymera nanopartiklar där den dispergerade fasen var flytande monomer.

Omedelbart efter miniemulgering avlägsnas lösningsmedlet från de dispergerade dropparna genom avdunstning och lämnar polymera nanopartiklar. Den slutliga nanopartikelstorleken kan varieras genom att ändra initialkoncentrationen av ytaktivt ämne i vattenfasen.

Steg 2: Syntes av NP via utfällningsmetoder

Som ett alternativ till miniemulsionsmetoden erbjuder utfällningstekniker en enkel väg till produktion av halvledande polymernanopartiklar via injektion av en lösning av aktivt material i ett andra lösningsmedel med dålig löslighet.

Som sådan är syntesen snabb, använder inte ytaktivt ämne, kräver ingen uppvärmning (och därför ingen glödgning av nanopartiklarna) i nanopartikelsyntesfasen och kan lätt skalas upp för storskalig syntes av material. I allmänhet har dispersionerna visat sig ha lägre stabilitet och uppvisar en sammansättningsförändring vid stående på grund av föredragen utfällning av partiklar med olika sammansättning. Utfällningsmetoden ger emellertid möjlighet att inkludera nanopartikelsyntesen som en del av en aktiv utskriftsprocess, med partiklar som genereras efter behov. Vidare har Hirsch et al. har visat att genom successiv lösningsmedelsförskjutning är det möjligt att syntetisera inverterade kärnskalpartiklar där det strukturella arrangemanget står i motsats till materialens inneboende ytenergier.

Steg 3: PFB: F8BT Nanoparticulate Organic Photovoltaic (NPOPV) Material System

Tidiga mätningar av effektomvandlingseffektiviteten för PFB: F8BT -nanopartikelanordningar under solbelysning rapporterade enheter med en Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 och Voc = 1,38 V, vilket (förutsatt en bästa uppskattning av oläktad fyllningsfaktor (FF) 0,28 från bulkblandningsanordningar) motsvarar en PCE på 0,004%.

De enda andra fotovoltaiska mätningarna av PFB: F8BT nanopartiklar var externa kvanteffektivitetsdiagram (EQE). Flerskiktade fotovoltaiska enheter tillverkade av PFB: F8BT -nanopartiklar, som visade de högsta effektomvandlingseffektiviteten som observerats för dessa polyfluoren -nanopartikelmaterial.

Denna ökade prestanda uppnåddes genom kontroll av ytenergierna för de enskilda komponenterna i polymer-nanopartikeln och efteravsättningen av polymer-nanopartikelskikten. Betydande visade detta arbete att de tillverkade nanopartikulära organiska fotovoltaiska (NPOPV) enheterna var mer effektiva än standardblandningsanordningarna (Figur senare).

Steg 4: Figur

Jämförelse av de elektriska egenskaperna hos nanopartiklar och heterojunktionsanordningar. (a) Variation av strömtäthet kontra spänning för en femlagers PFB: F8BT (poly (9, 9-dioktylfluoren-co-N, N'-bis (4-butylfenyl) -N, N'-difenyl-1, 4-fenylendiamin) (PFB); poly (9, 9-dioktylfluoren-co-bensotiadiazol (F8BT)) nanopartikulär (fyllda cirklar) och en bulk heterojunction (öppen cirkel) enhet; b) variation av extern kvanteffektivitet (EQE) vs.. våglängd för en femskikts PFB: F8BT nanopartikulär (fyllda cirklar) och en bulk heterojunction (öppen cirkel) enhet. Även visad (streckad linje) är EQE-diagrammet för den nanopartikulära filmenheten.

Effekten av Ca- och Al -katoder (två av de vanligaste elektrodmaterialen) i OPV -enheter baserade på polyfluorenblandningar av vattenbaserade polymer -nanopartikeldispersioner (NP). De visade att PFB: F8BT NPOPV -enheter med Al- och Ca/Al -katoder uppvisar kvalitativt mycket liknande beteende, med en topp -PCE på ~ 0,4% för Al och ~ 0,8% för Ca/Al, och att det finns en distinkt optimerad tjocklek för NP -enheter (nästa bild). Den optimala tjockleken är en följd av de konkurrerande fysiska effekterna av reparation och fyllning av defekter för tunna filmer [32, 33] och utvecklingen av spänningssprickor i tjocka filmer.

Den optimala skikttjockleken i dessa anordningar motsvarar den kritiska sprickningstjockleken (CCT) över vilken spänningssprickning uppstår, vilket resulterar i lågt shuntmotstånd och en minskning av enhetens prestanda.

Steg 5: Figur

Variation av effektomvandlingseffektivitet (PCE) med antalet deponerade lager för PFB: F8BT nanopartikulära organiska fotovoltaiska (NPOPV) enheter tillverkade med en Al -katod (fyllda cirklar) och en Ca/Al -katod (öppna cirklar). Prickade och streckade linjer har lagts till för att styra ögat. Ett genomsnittligt fel har fastställts baserat på variansen för minst tio enheter för varje antal lager.

Så, F8BT -enheter förbättrar excitondissociationen i förhållande till motsvarande BHJ -struktur. Dessutom resulterar användningen av en Ca/Al -katod i skapandet av gränssnittsgaptillstånd (figur senare), vilket minskar rekombinationen av laddningar som genereras av PFB i dessa enheter och återställer öppen kretsspänning till den nivå som erhålls för en optimerad BHJ -enhet vilket resulterar i en PCE som närmar sig 1%.

Steg 6: Figur

Energinivådiagram för PFB: F8BT -nanopartiklar i närvaro av kalcium. (a) Kalcium diffunderar genom nanopartikelytan; (b) Kalcium doper det PFB-rika skalet och producerar gapstater. Elektronöverföring sker från kalciumproducerande fyllda gapstater; (c) En exciton som genereras på PFB närmar sig det dopade PFB -materialet (PFB*), och ett hål överförs till det fyllda gapet och producerar en mer energisk elektron; (d) Elektronöverföring från en exciton som genereras på F8BT till antingen den högsta energin PFB lägsta obebodda molekylära orbital (LUMO) eller den fyllda lägre energin PFB* LUMO hindras.

NP-OPV-enheter tillverkade av vattendispergerade P3HT: PCBM-nanopartiklar som uppvisade effektomvandlingseffektivitet (PCE) på 1,30% och topp externa kvanteffektiviteter (EQE) på 35%. Till skillnad från PFB: F8BT NPOPV -systemet var dock P3HT: PCBM NPOPV -enheterna mindre effektiva än deras bulk heterojunction -motsvarigheter. Skanningsöverföringsröntgenmikroskopi (STXM) avslöjade att det aktiva lagret behåller en mycket strukturerad NP-morfologi och omfattar kärnskal-NP: er som består av en relativt ren PCBM-kärna och ett blandat P3HT: PCBM-skal (nästa bild). Vid glödgning genomgår dessa NPOPV -enheter emellertid omfattande fassegregation och en motsvarande minskning av enhetens prestanda. I själva verket gav detta arbete en förklaring till den lägre effektiviteten hos de glödgade P3HT: PCBM OPV-enheterna, eftersom termisk bearbetning av NP-filmen resulterar i en effektivt "överglödgad" struktur med grov fasavskiljning som inträffar, vilket stör störningsgenerering och transport.

Steg 7: Sammanfattning av NPOPV -prestanda

En sammanfattning av prestanda för NPOPV -enheter som rapporterats under de senaste åren presenteras i

Tabell. Det framgår av tabellen att prestandan för NPOPV -enheter har ökat dramatiskt med en ökning med tre storleksordningar.

Steg 8: Slutsatser och framtidsutsikter

Den senaste utvecklingen av vattenbaserade NPOPV-beläggningar representerar ett paradigmskifte i utvecklingen av billiga OPV-enheter. Detta tillvägagångssätt ger samtidigt kontroll över morfologi och eliminerar behovet av flyktiga brandfarliga lösningsmedel vid tillverkning av enheter; två viktiga utmaningar för nuvarande OPV -enhetsforskning. Faktum är att utvecklingen av en vattenbaserad solfärg ger en lockande möjlighet att skriva ut OPV-enheter med stora ytor med alla befintliga tryckfaciliteter. Dessutom är det alltmer erkänt att utvecklingen av ett vattenbaserat utskrivbart OPV-system skulle vara mycket fördelaktigt och att de nuvarande materialsystemen baserade på klorerade lösningsmedel inte är lämpliga för produktion i kommersiell skala. Det arbete som beskrivs i denna översyn visar att den nya NPOPV -metoden är allmänt tillämplig och att NPOPV -enhetens PCE kan vara konkurrenskraftiga med enheter som är byggda av organiska lösningsmedel. Dessa studier avslöjar dock också att ur material synvinkel uppträder NP: er helt annorlunda än polymerblandningar som spunnits från organiska lösningsmedel. Effektivt är NP: erna ett helt nytt materialsystem, och som sådana gäller inte längre de gamla reglerna för tillverkning av OPV-enheter som har lärt sig för organiska OPV-enheter. När det gäller NPOPV baserade på polyfluorenblandningar resulterar NP -morfologin i en fördubbling av enhetens effektivitet. För polymer: fullerenblandningar (t.ex. P3HT: PCBM och P3HT: ICBA) är morfologibildning i NP -filmerna emellertid mycket komplex och andra faktorer (såsom kärndiffusion) kan dominera, vilket resulterar i ooptimerade enhetstrukturer och effektivitet. Framtidsutsikterna för dessa material är extremt lovande, med enhetseffektivitet som har ökat från 0,004% till 4% på mindre än fem år. Nästa steg i utvecklingen kommer att innebära att förstå de mekanismer som bestämmer NP -struktur och NP -filmmorfologi och hur dessa kan kontrolleras och optimeras. Hittills har förmågan att kontrollera morfologin för OPV -aktiva lager på nanoskala ännu inte förverkligats. Det senaste arbetet visar dock att tillämpningen av NP -material kan göra att detta mål kan uppnås.