Solmaling: 8 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

En særlig maling, der producerer direkte elektricitet fra sollyset.

Organisk fotovoltaik (OPV'er) tilbyder et enormt potentiale som billige belægninger, der er i stand til at generere elektricitet direkte fra sollys. Disse polymerblandingsmaterialer kan udskrives ved høje hastigheder på tværs af store områder ved hjælp af rulle-til-rulle-behandlingsteknikker, hvilket skaber en fristende vision om at belægge hvert tag og en anden passende bygningsoverflade med billige fotovoltaikker.

Trin 1: Syntese af NP'er via miniemulsionsprocessen

Nanopartikelfremstillingsmetoden udnytter ultralydsenergi leveret via et ultralydshorn indsat i reaktionsblandingen for at generere en miniemulsion (figur ovenfor). Ultralydshorn gør det muligt at danne sub-mikrometer dråber ved at anvende høj forskydningskraft. En flydende vandig overfladeaktivt indeholdende fase (polær) kombineres med en organisk fase af polymer opløst i chloroform (upolær) til dannelse af en makroemulsion, derefter ultralydsdannet til dannelse af en miniemulsion. Polymerchloroformdråberne udgør den dispergerede fase med en vandig kontinuerlig fase. Dette er en ændring af den sædvanlige metode til frembringelse af polymer -nanopartikler, hvor den dispergerede fase var flydende monomer.

Umiddelbart efter miniemulgering fjernes opløsningsmidlet fra de dispergerede dråber via fordampning og efterlader polymere nanopartikler. Den endelige nanopartikelstørrelse kan varieres ved at ændre den oprindelige koncentration af overfladeaktivt stof i den vandige fase.

Trin 2: Syntese af NP'er via præcipitationsmetoder

Som et alternativ til miniemulsionstilgangen tilbyder udfældningsteknikker en enkel vej til fremstilling af halvledende polymer -nanopartikler via injektion af en opløsning af aktivt materiale i et andet opløsningsmiddel med dårlig opløselighed.

Som sådan er syntesen hurtig, bruger ikke overfladeaktivt stof, kræver ingen opvarmning (og derfor ingen præfabrikationglødning af nanopartiklerne) i nanopartikelsyntesefasen og kan let skaleres op til storskala syntese af materiale. Generelt har det vist sig, at dispersionerne har lavere stabilitet og udviser en sammensætningsændring ved henstand på grund af foretrukken udfældning af partikler med forskellig sammensætning. Udfældningsmetoden giver imidlertid mulighed for inklusion af nanopartikelsyntesen som en del af en aktiv trykproces, hvor partikler genereres efter behov. Endvidere har Hirsch et al. har vist, at ved successiv opløsningsmiddelforskydning er det muligt at syntetisere inverterede kerneskallpartikler, hvor det strukturelle arrangement er i modstrid med materialernes iboende overfladeenergi.

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

Tidlige målinger af strømkonverteringseffektiviteten af PFB: F8BT -nanopartikelanordninger under solbelysning rapporterede enheder med en Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 og Voc = 1,38 V, hvilket (forudsat en bedst estimeret ikke -annulleret fyldfaktor (FF) 0,28 fra bulkblandeanordninger) svarer til en PCE på 0,004%.

De eneste andre fotovoltaiske målinger af PFB: F8BT nanopartikeludstyr var eksterne kvanteeffektivitet (EQE) plots. Flerlags fotovoltaiske enheder fremstillet af PFB: F8BT nanopartikler, som demonstrerede de højeste effektomdannelseseffektiviteter observeret for disse polyfluoren nanopartikelmaterialer.

Denne øgede ydeevne blev opnået ved kontrol af overfladeenergierne for de enkelte komponenter i polymer-nanopartiklen og efteraflejringsbehandlingen af polymer-nanopartikellagene. Betydeligt viste dette arbejde, at de fremstillede nanopartikulære organiske fotovoltaiske (NPOPV) enheder var mere effektive end standardblandingsenhederne (figur senere).

Trin 4: Figur

Sammenligning af de elektriske egenskaber ved nanopartikel- og bulk heterojunction -anordninger. (a) Variation af strømtæthed kontra spænding for et femlags PFB: F8BT (poly (9, 9-dioctylfluoren-co-N, N'-bis (4-butylphenyl) -N, N'-diphenyl-1, 4-phenylendiamin) (PFB); poly (9, 9-dioctylfluoren-co-benzothiadiazol (F8BT)) nanopartikel (fyldte cirkler) og en bulk heterojunction (åbne cirkler) enhed; (b) Variation af ekstern kvanteeffektivitet (EQE) vs.. bølgelængde for et femlags PFB: F8BT nanopartikulært (fyldte cirkler) og en bulk heterojunction (åbne cirkler) enhed. Også vist (stiplet linje) er EQE-plottet for den nanopartikulære filmindretning.

Virkningen af Ca- og Al -katoder (to af de mest almindelige elektrodematerialer) i OPV -enheder baseret på polyfluorenblanding vandig polymer nanopartikel (NP) -dispersioner. De viste, at PFB: F8BT NPOPV -enheder med Al- og Ca/Al -katoder udviser kvalitativt meget lignende adfærd, med en maksimal PCE på ~ 0,4% for Al og ~ 0,8% for Ca/Al, og at der er en tydelig optimeret tykkelse for NP -enheder (næste figur). Den optimale tykkelse er en konsekvens af de konkurrerende fysiske virkninger af reparation og fyldning af defekter for tynde film [32, 33] og udviklingen af spændingsrevner i tykke film.

Den optimale lagtykkelse i disse enheder svarer til den kritiske revnetykkelse (CCT), over hvilken spændingsrevner opstår, hvilket resulterer i lav shuntmodstand og en reduktion i enhedens ydeevne.

Trin 5: Figur

Variation af effektkonverteringseffektivitet (PCE) med antallet af deponerede lag til PFB: F8BT nanopartikulære organiske fotovoltaiske (NPOPV) enheder fremstillet med en Al -katode (fyldte cirkler) og en Ca/Al -katode (åbne cirkler). Der er tilføjet stiplede og stiplede linjer for at lede øjet. En gennemsnitlig fejl er blevet bestemt baseret på variansen for mindst ti enheder for hvert antal lag.

Så F8BT -enheder forbedrer exciton -dissociationen i forhold til den tilsvarende BHJ -struktur. Desuden resulterer brugen af en Ca/Al -katode i oprettelsen af grænsefladegabtilstande (figur senere), som reducerer rekombinationen af ladninger genereret af PFB i disse enheder og gendanner åben kredsløbsspænding til det niveau, der opnås for en optimeret BHJ -enhed, hvilket resulterer i en PCE, der nærmer sig 1%.

Trin 6: Figur

Energiniveau diagrammer for PFB: F8BT nanopartikler i nærvær af calcium. (a) Calcium diffunderer gennem nanopartikeloverfladen; (b) Calcium doper den PFB-rige skal, der producerer mellemrumstilstande. Elektronoverførsel sker fra calciumproducerende fyldte mellemrumstilstande; (c) En exciton, der genereres på PFB, nærmer sig det dopede PFB -materiale (PFB*), og et hul overføres til tilstanden fyldt hul og producerer en mere energisk elektron; (d) Elektronoverførsel fra en exciton genereret på F8BT til enten den højere energi PFB laveste ubesatte molekylære orbital (LUMO) eller den fyldte lavere energi PFB* LUMO hindres.

NP-OPV-enheder fremstillet af vanddispergeret P3HT: PCBM-nanopartikler, der udviste effektomdannelseseffektivitet (PCE'er) på 1,30% og maksimal ekstern kvanteeffektivitet (EQE) på 35%. I modsætning til PFB: F8BT NPOPV -systemet var P3HT: PCBM NPOPV -enheder imidlertid mindre effektive end deres bulk heterojunction -modstykker. Scanningstransmission røntgenmikroskopi (STXM) afslørede, at det aktive lag bevarer en meget struktureret NP-morfologi og omfatter kerneskal-NP'er, der består af en relativt ren PCBM-kerne og en blandet P3HT: PCBM-skal (næste figur). Ved glødning undergår disse NPOPV -enheder imidlertid omfattende fasesegregering og et tilsvarende fald i enhedens ydeevne. Dette arbejde gav faktisk en forklaring på den lavere effektivitet af de udglødede P3HT: PCBM OPV-enheder, da termisk behandling af NP-filmen resulterer i en effektivt "overglødet" struktur med grovfasesegregering, hvilket forstyrrer ladning og transport.

Trin 7: Oversigt over NPOPV -ydeevne

En oversigt over ydeevnen for NPOPV -enheder rapporteret i løbet af de sidste par år er præsenteret i

Bord. Det fremgår klart af tabellen, at ydeevnen for NPOPV -enheder er steget dramatisk med en stigning på tre størrelsesordener.

Trin 8: Konklusioner og Future Outlook

Den seneste udvikling af vandbaserede NPOPV-belægninger repræsenterer et paradigmeskift i udviklingen af billige OPV-enheder. Denne fremgangsmåde giver samtidig kontrol over morfologi og eliminerer behovet for flygtige brændbare opløsningsmidler i enhedsproduktion; to centrale udfordringer ved den aktuelle OPV -enhedsforskning. Faktisk giver udviklingen af en vandbaseret solmaling den pirrende udsigt til at udskrive OPV-enheder i stort område ved hjælp af enhver eksisterende trykfacilitet. Desuden anerkendes det i stigende grad, at udviklingen af et vandbaseret printbart OPV-system ville være yderst fordelagtigt, og at de nuværende materialesystemer baseret på chlorerede opløsningsmidler ikke er egnede til produktion i kommerciel skala. Arbejdet beskrevet i denne gennemgang viser, at den nye NPOPV -metode generelt er anvendelig, og at NPOPV -enhedens PCE'er kan være konkurrencedygtige med enheder, der er bygget af organiske opløsningsmidler. Disse undersøgelser afslører imidlertid også, at ud fra et materielt synspunkt opfører NP'er sig helt anderledes end polymerblandinger spundet fra organiske opløsningsmidler. NP'erne er effektivt et helt nyt materialesystem, og som sådan gælder de gamle regler for fremstilling af OPV-enheder, der er lært for organisk baserede OPV-enheder, ikke længere. I tilfælde af NPOPV'er baseret på polyfluorenblandinger resulterer NP -morfologien i en fordobling af enhedens effektivitet. For polymer: fullerenblandinger (f.eks. P3HT: PCBM og P3HT: ICBA) er dannelse af morfologi i NP -filmene yderst kompleks, og andre faktorer (såsom kernediffusion) kan dominere, hvilket resulterer i uoptimerede enhedsstrukturer og effektivitet. Fremtidsudsigterne for disse materialer er yderst lovende, idet enhedens effektivitet er steget fra 0,004% til 4% på mindre end fem år. Den næste udviklingstrin vil indebære forståelse af de mekanismer, der bestemmer NP -struktur og NP -filmmorfologi, og hvordan disse kan kontrolleres og optimeres. Til dato er evnen til at kontrollere morfologien for OPV -aktive lag på nanoskalaen endnu ikke realiseret. Det seneste arbejde viser imidlertid, at anvendelsen af NP -materialer muliggør, at dette mål kan nås.