Solar Paint: 8 кадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-30 10:41

Күн нурунан түз электр энергиясын чыгаруучу өзгөчө боек.

Органикалык фотоэлектриктер (OPVs) эбегейсиз потенциалды сунушташат, анткени алар күндүн нурунан түз электр энергиясын өндүрүүгө жөндөмдүү. Бул полимердик аралаштырылган материалдарды чоң ылдамдыкта басып чыгарууга болот, бул ар бир чатырды жана башка ылайыктуу имараттын үстүн арзан фотоэлектриктер менен каптоонун таң калтырган көрүнүшүн жаратат.

1 -кадам: Miniemulsion Process аркылуу NPs синтези

Нанобөлөктөрдү даярдоо ыкмасы миниэмульсияны түзүү үчүн реакция аралашмасына киргизилген УЗИ мүйүзү аркылуу жеткирилген УЗИ энергиясын колдонот (Жогорудагы сүрөт). УЗИ мүйүзү суб-микрометрдик тамчылардын пайда болушун жогорку кесүү күчүн колдонуу менен мүмкүн кылат. Суюк суу бетинде активдүү активдүү фаза (полярдык) хлороформда эриген полимердин органикалык фазасы менен айкалышат (полярдык эмес), андан соң микроэмульсияны түзүү үчүн ультрадыбыштуу. Полимердик хлороформ тамчылары суудагы үзгүлтүксүз фазасы бар дисперстүү фазаны түзөт. Бул дисперстүү фазасы суюк мономер болгон полимердик нанобөлчөктөрдү генерациялоонун кадимки ыкмасынын модификациясы.

Миниэмульфикациядан кийин дароо эриткич буулануу тамчыларынан бууланып, полимердик нанобөлчөктөрдү калтырат. Нанобөлөктөрдүн акыркы өлчөмү суу фазасында беттик активдүү заттардын баштапкы концентрациясын өзгөртүү аркылуу өзгөрүшү мүмкүн.

2 -кадам: Жаан -чачын методдору аркылуу НПтин синтези

Миниэмульсиялык ыкмага альтернатива катары, жаан -чачындын ыкмалары активдүү материалдын эритмесин начар эриген экинчи эриткичке киргизүү аркылуу жарым өткөргүч полимердик нанобөлчөктөрдү өндүрүүнүн жөнөкөй жолун сунуштайт.

Натыйжада, синтез тез, беттик активдүү заттарды колдонбойт, нанобөлчөк синтезинин фазасында жылытууну талап кылбайт (демек нанобөлчөктөрдү алдын ала күйгүзүү) жана масштабдуу материалды синтездөө үчүн масштабдалышы мүмкүн. Жалпысынан алганда, дисперсиялар төмөн стабилдүүлүккө ээ экени жана ар кандай курамдагы бөлүкчөлөрдүн преференциалдуу жаан -чачынынан турган кезде композициялык өзгөрүүнү көрсөткөнү көрсөтүлдү. Бирок, жаан -чачын ыкмасы нанобөлүкчөлөрдүн синтезин активдүү басып чыгаруу процессинин бир бөлүгү катары кошуу мүмкүнчүлүгүн сунуш кылат, бөлүкчөлөр керектүү учурда жана керек болгондо пайда болот. Мындан тышкары, Hirsch et al. эриткичтердин ырааттуу жылышынын натыйжасында, структуралык жайгашуусу материалдардын табигый беттик энергиясына каршы келген тескери өзөктүк кабык бөлүкчөлөрүн синтездөө мүмкүн экенин көрсөттү.

3 -кадам: PFB: F8BT Nanoparticulate Organic Photovoltaic (NPOPV) материалдык системасы

ПФБнын кубаттуулукту которуунун эффективдүүлүгүнүн алгачкы ченөөлөрү: күндүн нуру астында F8BT нанобөлчөк түзмөктөрү Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 жана Voc = 1.38 V түзмөктөрүн билдиришти, бул (эң жакшы бааланган толтурулбаган факторду (FF) 0,28 дюймдук аралаштыруу түзмөктөрүнөн) 0,004%PCEге туура келет.

PFB: F8BT нанобөлүкчөлөрүнүн башка фотоэлектрдик өлчөөлөрү тышкы кванттык эффективдүүлүк (EQE) участоктору болгон. PFB: F8BT нанобөлчөктөрүнөн даярдалган көп катмарлуу фотоэлектрдик түзүлүштөр, бул полифторен нанобөлчөк материалдары үчүн байкалган эң жогорку кубаттуулукту айландыруу эффективдүүлүгүн көрсөттү.

Бул жогорулатылган көрсөткүч полимердик нанобөлчөктөгү айрым компоненттердин үстүңкү энергияларын көзөмөлдөө жана полимердик нанобөлчөк катмарларын постпозиционалдык иштетүү аркылуу жетишилди. Белгилей кетчү нерсе, бул иш нанобөлүктөр органикалык фотоэлектрдик (NPOPV) түзүлүштөрдүн стандарттык аралаштыруучу түзүлүштөргө караганда алда канча натыйжалуу экенин көрсөттү (Сүрөт кийинчерээк).

4 -кадам: Figure

Нанобөлчөктөрдүн жана жапырт гетерожинттик түзүлүштөрдүн электрдик мүнөздөмөлөрүн салыштыруу. (a) Беш катмарлуу PFB үчүн учурдагы тыгыздык менен чыңалуунун өзгөрүшү: F8BT (поли (9, 9-диоктильфторен-ко-Н, Н'-бис (4-бутилфенил) -N, N'-дифенил-1, 4-phenylenediamine) (PFB); поли (9, 9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole (F8BT)) nanoparticulate (толгон чөйрөлөр) жана жапырт гетерожункт (ачык чөйрөлөр) түзүлүшү; (б) Сырткы кванттык эффективдүүлүктүн (EQE) беш катмарлуу PFB үчүн толкун узундугу: F8BT нанобөлүктөр (толтурулган тегерекчелер) жана жапырт гетерохинция (ачык чөйрөлөр) түзмөгү. Ошондой эле нанопартикулярдуу пленка түзмөгүнүн EQE сюжети көрсөтүлөт.

Polyfluorene аралаштырылган полимер нанобөлчөк (NP) дисперсиясына негизделген ОПВ аппараттарында Ca жана Al катоддорунун (эң кеңири таралган электрод материалдарынын экөө) таасири. Алар PFB экенин көрсөтүштү: Al жана Ca/Al катоддору бар F8BT NPOPV түзмөктөрү сапат жагынан абдан окшош жүрүм -турумду көрсөтүшөт, PCE чокусу ~ 0.4% жана Ca/Al үчүн ~ 0.8%, жана бул үчүн так оптималдаштырылган жоондугу бар. NP түзмөктөрү (кийинки Сүрөт). Оптималдуу калыңдык - жука пленкалар үчүн кемчиликтерди оңдоонун жана толтуруунун атаандаш физикалык эффекттеринин натыйжасы [32, 33] жана калың пленкаларда стресс жарылуусун өнүктүрүү.

Бул түзмөктөрдөгү катмарлардын оптималдуу калыңдыгы крекингдин критикалык калыңдыгына (CCT) туура келет, анын үстүндө стресс жаракасы пайда болот, натыйжада шунттун каршылыгы төмөн жана аппараттын иштеши төмөндөйт.

5 -кадам: Сүрөт

PFB үчүн депонирленген катмарлардын саны менен кубаттуулукту которуунун эффективдүүлүгүнүн (PCE) варианты: F8BT nanoparticulate органикалык фотоэлектрдик (NPOPV) түзүлүштөрү Al катод (толтурулган чөйрөлөр) жана Ca/Al катоддору (ачык чөйрөлөр) менен даярдалган. Көздү багыттоо үчүн чекит жана үзүк сызыктар кошулган. Орточо ката катмарлардын ар бир саны үчүн он түзмөктүн минималдуу дисперсиясынын негизинде аныкталган.

Ошентип, F8BT түзмөктөрү тиешелүү BHJ структурасына салыштырмалуу экситондун диссоциациясын жакшыртат. Мындан тышкары, Ca/Al катодунун колдонулушу интерфейс аралык ажырым абалдарын түзүүгө алып келет (кийинчерээк сүрөт), бул түзмөктөрдө PFB тарабынан өндүрүлгөн заряддардын рекомбинациясын азайтат жана BHJ түзмөгүнүн оптималдаштырылган деңгээлине чейин ачык электр чыңалуусун калыбына келтирет., натыйжада PCE 1%га жакындап калды.

6 -кадам: Figure

PFB үчүн энергетикалык деңгээл диаграммалары: F8BT нанобөлчөктөрү кальцийдин катышуусунда. а) кальций нанобөлчөк бети аркылуу тарайт; (б) Кальций PFBге бай кабыкты допинг кылып, ажырым абалдарын пайда кылат. Электрондук берүү кальцийди толтуруучу боштук абалынан келип чыгат; (с) ПФБда пайда болгон экситон кошулган PFB материалына (PFB*) жакындайт жана тешик толгон боштук абалына өтөт, андан дагы энергиялуу электрон пайда болот; (г) F8BTде пайда болгон экситондон электр энергиясын эң жогорку энергия PFB эң аз бош турган молекулярдык орбиталга (LUMO) же толтурулган төмөнкү энергия PFB* LUMOго өткөрүү тоскоолдук кылат.

NP-OPV түзмөктөрү сууда чачырап кеткен P3HTтен өндүрүлгөн: PCBM нанобөлчөктөрү 1.30% кубаттуулуктун эффективдүүлүгүн (PCEs) жана эң жогорку тышкы кванттык эффективдүүлүгүн (EQE) көрсөтүштү 35%. Бирок, PFB: F8BT NPOPV тутумунан айырмаланып, P3HT: PCBM NPOPV түзмөктөрү гетероюнектүү аналогдоруна караганда азыраак натыйжалуу болгон. Сканерлөө рентген микроскопиясы (STXM) активдүү катмар жогорку структураланган NP морфологиясын сактап калаарын жана салыштырмалуу таза PCBM өзөгүнөн жана аралаштырылган P3HT: PCBM кабыгынан турган негизги кабыкчалуу NPлерди камтыйт. Бирок, күйгүзүүдөн кийин, бул NPOPV түзмөктөрү кең фазалуу сегрегациядан өтүшөт жана шаймандардын иштешинин тиешелүү түрдө төмөндөшү. Чынында эле, бул иш күйгүзүлгөн P3HT: PCBM OPV түзмөктөрүнүн эффективдүүлүгүнүн төмөндүгү үчүн түшүндүрмө берди, анткени NP пленкасын термикалык иштетүү натыйжалуу "ашыкча күйгүзүлгөн" структурага алып келип, грузалуу фазалык сегрегация болуп, заряддын пайда болушун жана транспортун үзгүлтүккө учуратты.

7 -кадам: NPOPV аткаруу кыскача

Акыркы бир нече жыл ичинде билдирилген NPOPV түзмөктөрүнүн иштөө жыйынтыгы келтирилген

Таблица. Үстөлдөн көрүнүп тургандай, NPOPV түзмөктөрүнүн өндүрүмдүүлүгү кескин түрдө жогорулап, үч даража көтөрүлдү.

8 -кадам: Жыйынтыктар жана келечектеги көрүнүш

Акыркы убакта сууга негизделген NPOPV каптоолорунун өнүгүшү арзан OPV түзмөктөрүнүн өнүгүшүндөгү парадигманы билдирет. Бул ыкма бир эле учурда морфологияны көзөмөлдөөнү камсыздайт жана приборлордун өндүрүшүндө тез күйүүчү эриткичтерге болгон муктаждыкты жок кылат; учурдагы OPV түзмөк изилдөө эки негизги кыйынчылыктар. Чынында эле, сууга негизделген күн боёкунун иштелип чыгышы, кеңири масштабдагы OPV түзмөктөрүн басып чыгаруу мүмкүнчүлүгүн сунуш кылат. Мындан тышкары, сууга негизделген OPV системасын иштеп чыгуу абдан пайдалуу болору жана хлордуу эриткичтерге негизделген учурдагы материалдык системалар коммерциялык масштабдагы өндүрүш үчүн ылайыктуу эмес экени барган сайын таанылууда. Бул кароодо сүрөттөлгөн иш жаңы NPOPV методологиясы негизинен колдонулаарын жана NPOPV түзмөк PCEлери органикалык эриткичтерден курулган түзүлүштөр менен атаандаштыкка жөндөмдүү экенин көрсөтөт. Бирок, бул изилдөөлөр, материалдык көз караштан алганда, НРлердин органикалык эриткичтерден ийрилген полимердик аралашмалардан таптакыр башкача экенин көрсөтүшөт. Натыйжалуу түрдө, NP-бул таптакыр жаңы материалдык система, ошондуктан органикалык негиздеги OPV түзмөктөрү үчүн үйрөнүлгөн OPV түзүлүштөрүн чыгаруунун эски эрежелери колдонулбайт. Полифторен аралашмаларына негизделген NPOPVлерде, NP морфологиясы прибордун эффективдүүлүгүн эки эсе жогорулатууга алып келет. Бирок, полимер үчүн: фуллерендин аралашмалары (мис., P3HT: PCBM жана P3HT: ICBA), NP тасмаларындагы морфологиянын түзүлүшү өтө татаал жана башка факторлор (мисалы, өзөктүк диффузия) үстөмдүк кылышы мүмкүн, натыйжада түзүлүш структуралары жана эффективдүүлүгү чектелбейт. Бул материалдардын келечектеги перспективасы өтө келечектүү, беш жылдын ичинде аппараттын эффективдүүлүгү 0,004% дан 4% га чейин жогорулаган. Өнүгүүнүн кийинки этабы NP түзүлүшүн жана NP пленкасынын морфологиясын аныктоочу механизмдерди жана аларды кантип башкарууга жана оптималдаштырууга болорун түшүнүүнү камтыйт. Бүгүнкү күнгө чейин, нано масштабдагы OPV активдүү катмарларынын морфологиясын көзөмөлдөө мүмкүнчүлүгү али ишке аша элек. Бирок, акыркы иштер NP материалдарын колдонуу бул максатка жетүүгө мүмкүн экенин көрсөтүүдө.