Solar Paint: 8 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

En spesiell maling som produserer direkte elektrisitet fra sollyset.

Organisk fotovoltaikk (OPV) tilbyr et enormt potensial som rimelige belegg som er i stand til å generere elektrisitet direkte fra sollys. Disse polymerblandingsmaterialene kan skrives ut med høye hastigheter over store områder ved hjelp av rull-til-rull-behandlingsteknikker, noe som skaper en fristende visjon om å belegge hvert tak og annen passende bygningsoverflate med billige fotovoltaika.

Trinn 1: Syntese av NP -er via Miniemulsion -prosessen

Nanopartikkelfremstillingsmetoden utnytter ultralydsenergi levert via et ultralydshorn satt inn i reaksjonsblandingen for å generere en miniemulsjon (figur ovenfor). Ultralydshorn gjør det mulig å danne sub-mikrometer dråper ved å bruke høy skjærkraft. En flytende, overflateaktivt inneholdende fase (polar) kombineres med en organisk fase av polymer oppløst i kloroform (upolær) for å generere en makroemulsjon, deretter ultralydbehandlet for å danne en miniemulsjon. Polymerkloroformdråpene utgjør den dispergerte fase med en vandig kontinuerlig fase. Dette er en modifikasjon av den vanlige metoden for generering av polymer -nanopartikler der den dispergerte fasen var flytende monomer.

Umiddelbart etter miniemulgering fjernes løsningsmidlet fra de dispergerte dråpene ved fordampning, og etterlater polymer -nanopartikler. Den endelige nanopartikkelstørrelsen kan varieres ved å endre den opprinnelige konsentrasjonen av overflateaktivt middel i den vandige fasen.

Trinn 2: Syntese av NP -er via nedbørsmetoder

Som et alternativ til miniemulsjonstilnærmingen, tilbyr utfellingsteknikker en enkel vei til produksjon av halvledende polymer -nanopartikler via injeksjon av en løsning av aktivt materiale i et andre løsningsmiddel med dårlig løselighet.

Som sådan er syntesen rask, bruker ikke overflateaktivt middel, krever ingen oppvarming (og derfor ingen gløding av nanopartikler) i nanopartikelsyntesefasen og kan lett skaleres opp for storskala syntese av materiale. Generelt har det vist seg at dispersjonene har lavere stabilitet og viser en sammensetningsendring ved henstand på grunn av fortrinnsvis utfelling av partikler med forskjellig sammensetning. Imidlertid tilbyr nedbørstilnærmingen muligheten for inkludering av nanopartikelsyntesen som en del av en aktiv utskriftsprosess, med partikler som genereres etter behov. Videre har Hirsch et al. har vist at ved påfølgende løsemiddelforskyvning er det mulig å syntetisere inverterte kjerneskallpartikler der strukturarrangementet er i strid med materialets iboende overflatenergier.

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

Tidlige målinger av effektkonverteringseffektiviteten til PFB: F8BT -nanopartikkelapparater under solbelysning rapporterte enheter med en Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 og Voc = 1,38 V, som (forutsatt et best estimat uanmeldt fyllfaktor (FF) 0,28 fra bulkblandingsenheter) tilsvarer en PCE på 0,004%.

De eneste andre fotovoltaiske målingene av PFB: F8BT nanopartikkelanordninger var eksterne kvanteeffektivitetsplott (EQE). Flerlags fotovoltaiske enheter produsert av PFB: F8BT -nanopartikler, som demonstrerte de høyeste effektkonverteringseffektivitetene som ble observert for disse polyfluoren -nanopartikkelmaterialene.

Denne økte ytelsen ble oppnådd gjennom kontroll av overflatenergiene til de enkelte komponentene i polymer-nanopartikkelen og etteravsetning av polymer-nanopartikkellagene. Betydelig viste dette arbeidet at de produserte nanopartikulære organiske fotovoltaiske (NPOPV) enhetene var mer effektive enn standardblandingsenhetene (figur senere).

Trinn 4: Figur

Sammenligning av de elektriske egenskapene til nanopartikkel- og bulk heterojunction -enheter. (a) Variasjon av strømtetthet vs. spenning for et fem-lags PFB: F8BT (poly (9, 9-dioktylfluoren-co-N, N'-bis (4-butylfenyl) -N, N'-difenyl-1, 4-fenylendiamin) (PFB); poly (9, 9-dioktylfluoren-co-benzotiadiazol (F8BT)) nanopartikulert (fylte sirkler) og en bulk heterojunction (åpne sirkler) enhet; (b) Variasjon av ekstern kvanteeffektivitet (EQE) vs.. bølgelengde for en fem-lags PFB: F8BT nanopartikulær (fylte sirkler) og en bulk heterojunction (åpne sirkler) enhet. Også vist (stiplet linje) er EQE-plottet for den nanopartikulære filmenheten.

Effekten av Ca- og Al -katoder (to av de vanligste elektrodematerialene) i OPV -enheter basert på polyfluorenblanding, vandig polymer nanopartikkel (NP) -dispersjoner. De viste at PFB: F8BT NPOPV -enheter med Al- og Ca/Al -katoder utviser kvalitativt veldig lik oppførsel, med en topp PCE på ~ 0,4% for Al og ~ 0,8% for Ca/Al, og at det er en tydelig optimalisert tykkelse for NP -enheter (neste figur). Den optimale tykkelsen er en konsekvens av de konkurrerende fysiske effektene av reparasjon og fylling av defekter for tynne filmer [32, 33] og utviklingen av spenningssprekk i tykke filmer.

Den optimale lagtykkelsen i disse enhetene tilsvarer den kritiske sprekketykkelsen (CCT) over hvilken spenningssprekk oppstår, noe som resulterer i lav shuntmotstand og en reduksjon i enhetens ytelse.

Trinn 5: Figur

Variasjon av effektkonverteringseffektivitet (PCE) med antall deponerte lag for PFB: F8BT nanopartikulære organiske fotovoltaiske (NPOPV) enheter produsert med en Al -katode (fylte sirkler) og en Ca/Al -katode (åpne sirkler). Stiplede og stiplete linjer er lagt til for å lede øyet. En gjennomsnittlig feil er bestemt ut fra variansen for minst ti enheter for hvert antall lag.

Så, F8BT -enheter forbedrer exciton -dissosiasjonen i forhold til den tilsvarende BHJ -strukturen. Videre resulterer bruken av en Ca/Al -katode i opprettelsen av grensesnittgaptilstander (figur senere), som reduserer rekombinasjonen av ladninger generert av PFB i disse enhetene og gjenoppretter åpen kretsspenning til nivået oppnådd for en optimalisert BHJ -enhet, noe som resulterer i at en PCE nærmer seg 1%.

Trinn 6: Figur

Energinivådiagrammer for PFB: F8BT -nanopartikler i nærvær av kalsium. (a) Kalsium diffunderer gjennom nanopartikkeloverflaten; (b) Kalsium doper det PFB-rike skallet og produserer gaptilstander. Elektronoverføring skjer fra kalsiumproduserende fylte gapetilstander; (c) En eksiton generert på PFB nærmer seg det dopede PFB -materialet (PFB*), og et hull overføres til fylt gap -tilstand og produserer et mer energisk elektron; (d) Elektronoverføring fra en eksiton generert på F8BT til enten den høyeste energien PFB laveste ubesatte molekylære orbital (LUMO) eller den fylte lavere energien PFB* LUMO hindres.

NP-OPV-enheter produsert av vanndispersert P3HT: PCBM-nanopartikler som viste effektkonverteringseffektivitet (PCE) på 1,30% og topp ekstern kvanteeffektivitet (EQE) på 35%. I motsetning til PFB: F8BT NPOPV -systemet, var P3HT: PCBM NPOPV -enhetene imidlertid mindre effektive enn sine bulk heterojunction -kolleger. Skanningsrøntgenmikroskopi (STXM) avslørte at det aktive laget beholder en svært strukturert NP-morfologi og omfatter kjerneskall-NP-er som består av en relativt ren PCBM-kjerne og et blandet P3HT: PCBM-skall (neste figur). Imidlertid, ved gløding, gjennomgår disse NPOPV -enhetene omfattende fasesegregering og en tilsvarende reduksjon i enhetens ytelse. Faktisk ga dette arbeidet en forklaring på den lavere effektiviteten til de glødede P3HT: PCBM OPV-enhetene, siden termisk behandling av NP-filmen resulterer i en effektivt "overglødet" struktur med grovfasesegregering, og dermed forstyrrer ladning og transport.

Trinn 7: Oppsummering av NPOPV -ytelse

Et sammendrag av ytelsen til NPOPV -enheter rapportert de siste årene er presentert i

Bord. Det er klart fra tabellen at ytelsen til NPOPV -enheter har økt dramatisk, med en økning på tre størrelsesordener.

Trinn 8: Konklusjoner og Fremtidsutsikter

Den siste utviklingen av vannbaserte NPOPV-belegg representerer et paradigmeskifte i utviklingen av rimelige OPV-enheter. Denne tilnærmingen gir samtidig kontroll over morfologi og eliminerer behovet for flyktige brennbare løsningsmidler i enhetens produksjon; to sentrale utfordringer ved dagens OPV -enhetsforskning. Faktisk gir utviklingen av en vannbasert solmaling den fristende utsikten til å skrive ut OPV-enheter i stort område ved å bruke et eksisterende utskriftsanlegg. Videre er det mer og mer anerkjent at utviklingen av et vannbasert utskrivbart OPV-system ville være svært fordelaktig, og at dagens materialsystemer basert på klorerte løsningsmidler ikke er egnet for kommersiell skala produksjon. Arbeidet beskrevet i denne gjennomgangen viser at den nye NPOPV -metodikken generelt er anvendelig, og at NPOPV -enhetens PCE -er kan være konkurransedyktige med enheter som er bygget av organiske løsningsmidler. Imidlertid avslører disse studiene også at fra et materielt synspunkt oppfører NP -er seg helt annerledes enn polymerblandinger spunnet fra organiske løsningsmidler. NP-ene er effektivt et helt nytt materialsystem, og som sådan gjelder ikke lenger de gamle reglene for fabrikasjon av OPV-enheter som er lært for organisk-baserte OPV-enheter. Når det gjelder NPOPV -er basert på polyfluorenblandinger, resulterer NP -morfologien i en dobling av enhetens effektivitet. Imidlertid, for polymer: fullerenblandinger (f.eks. P3HT: PCBM og P3HT: ICBA), er morfologidannelse i NP -filmene svært kompleks, og andre faktorer (for eksempel kjernediffusjon) kan dominere, noe som resulterer i uoptimerte enhetsstrukturer og effektivitet. Fremtidsutsikter for disse materialene er ekstremt lovende, med effektivitet på enheter som har økt fra 0,004% til 4% på mindre enn fem år. Det neste utviklingsstadiet vil innebære å forstå mekanismene som bestemmer NP -struktur og NP -filmmorfologi og hvordan disse kan kontrolleres og optimaliseres. Til dags dato har muligheten til å kontrollere morfologien til OPV -aktive lag på nanoskala ennå ikke blitt realisert. Nyere arbeid viser imidlertid at bruk av NP -materialer kan tillate at dette målet oppnås.