Cat Suria: 8 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:10

Cat tertentu yang menghasilkan elektrik langsung dari cahaya matahari.

Fotovoltaik organik (OPV) menawarkan potensi yang sangat besar kerana pelapis murah yang mampu menjana elektrik secara langsung dari cahaya matahari. Bahan campuran polimer ini dapat dicetak pada kelajuan tinggi di kawasan yang luas dengan menggunakan teknik pemprosesan roll-to-roll, mewujudkan visi yang menggoda untuk melapisi setiap bumbung dan permukaan bangunan lain yang sesuai dengan fotovoltaik kos rendah.

Langkah 1: Sintesis NP Melalui Proses Miniemulsion

Kaedah pembuatan nanopartikel menggunakan tenaga ultrasound yang dihantar melalui tanduk ultrasound yang dimasukkan ke dalam campuran tindak balas untuk menghasilkan miniemulsi (Gambar di atas). Tanduk ultrasound memungkinkan pembentukan titisan sub-mikrometer mungkin dengan menggunakan daya ricih yang tinggi. Fasa yang mengandungi surfaktan berair cair (polar) digabungkan dengan fasa organik polimer yang dilarutkan dalam kloroform (bukan polar) untuk menghasilkan makroemulsi, kemudian ultrasonik untuk membentuk miniemulsi. Titisan polimer kloroform membentuk fasa tersebar dengan fasa berterusan berair. Ini adalah pengubahsuaian kaedah biasa untuk menghasilkan nanopartikel polimer di mana fasa tersebar adalah monomer cair.

Sejurus selepas pengecualian mini, pelarut dikeluarkan dari titisan tersebar melalui penyejatan, meninggalkan nanopartikel polimer. Ukuran nanopartikel akhir dapat diubah dengan mengubah kepekatan awal surfaktan dalam fasa berair.

Langkah 2: Sintesis NP Melalui Kaedah Pemendakan

Sebagai alternatif kepada pendekatan miniemulsi, teknik pemendakan menawarkan jalan mudah untuk penghasilan nanopartikel polimer semikonduktor melalui suntikan larutan bahan aktif ke dalam pelarut kedua dengan kelarutan yang lemah.

Oleh itu, sintesis cepat, tidak menggunakan surfaktan, tidak memerlukan pemanasan (dan oleh itu, tidak ada penyepuhlindapan penyebaran nanopartikel) dalam fasa sintesis nanopartikel dan dapat dengan cepat ditingkatkan untuk sintesis bahan berskala besar. Secara umum, penyebaran telah terbukti mempunyai kestabilan yang lebih rendah dan memperlihatkan perubahan komposisi semasa berdiri kerana pemendapan zarah-zarah komposisi yang berbeza. Walau bagaimanapun, pendekatan pemendakan memberikan peluang untuk memasukkan sintesis nanopartikel sebagai sebahagian daripada proses pencetakan aktif, dengan zarah dihasilkan apabila diperlukan. Selanjutnya, Hirsch et al. telah menunjukkan bahawa dengan perpindahan pelarut berturut-turut, adalah mungkin untuk mensintesis partikel shell inti terbalik di mana susunan struktur bertentangan dengan tenaga permukaan yang wujud.

Langkah 3: Sistem Bahan Fotovoltaik Organik Nanopartikulat PFB: F8BT

Pengukuran awal kecekapan penukaran kuasa PFB: Peranti nanopartikel F8BT di bawah pencahayaan solar yang dilaporkan dengan Jsc = 1 × 10 −5 A cm ^ −2 dan Voc = 1,38 V, yang (dengan andaian anggaran terbaik adalah faktor pengisian tanpa pengisian (FF) 0.28 dari peranti campuran pukal) sepadan dengan PCE 0.004%.

Satu-satunya pengukuran fotovoltaik PFB: Peranti nanopartikel F8BT adalah plot kecekapan kuantum luaran (EQE). Peranti fotovoltaik berlapis yang dibuat dari partikel nanopartikel PFB: F8BT, yang menunjukkan kecekapan penukaran kuasa tertinggi yang diperhatikan untuk bahan nanopartikel polifluorena ini.

Peningkatan prestasi ini dicapai melalui kawalan tenaga permukaan komponen individu dalam nanopartikel polimer dan pemprosesan pasca-pemendapan lapisan nanopartikel polimer. Secara ketara, karya ini menunjukkan bahawa peranti fotovoltaik organik nanopartikulat (NPOPV) yang dihasilkan lebih efisien daripada peranti campuran standard (Gambar kemudian).

Langkah 4: Rajah

Perbandingan ciri elektrik peranti nanopartikel dan heterojungsi pukal. (a) Variasi ketumpatan arus berbanding voltan untuk PFB lima lapisan: F8BT (poly (9, 9-dioctylfluorene-co-N, N'-bis (4-butylphenyl) -N, N'-diphenyl-1, 4-phenylenediamine) (PFB); poly (9, 9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole (F8BT)) nanoparticulate (bulatan penuh) dan peranti heterojunction pukal (bulatan terbuka); (b) Variasi kecekapan kuantum luaran (EQE) vs panjang gelombang PFB lima lapisan: F8BT nanopartikulat (bulatan penuh) dan peranti heterojunction pukal (bulatan terbuka). Juga ditunjukkan (garis putus-putus) adalah plot EQE untuk peranti filem nanopartikulat.

Kesan katod Ca dan Al (dua bahan elektrod yang paling biasa) dalam peranti OPV berdasarkan penyebaran poli-fluorena campuran nanopartikel polimer (NP). Mereka menunjukkan bahawa peranti PFB: F8BT NPOPV dengan katod Al dan Ca / Al menunjukkan kelakuan yang sangat serupa, dengan puncak PCE ~ 0,4% untuk Al dan ~ 0,8% untuk Ca / Al, dan bahawa terdapat ketebalan dioptimumkan yang berbeza untuk Peranti NP (Rajah seterusnya). Ketebalan optimum adalah akibat dari kesan fizikal yang bersaing dari pembaikan dan pengisian kecacatan untuk filem nipis [32, 33] dan perkembangan tekanan retak pada filem tebal.

Ketebalan lapisan yang optimum dalam peranti ini sepadan dengan ketebalan retak kritikal (CCT) di atas yang berlaku keretakan tekanan, mengakibatkan rintangan shunt rendah dan penurunan prestasi peranti.

Langkah 5: Rajah

Variasi kecekapan penukaran kuasa (PCE) dengan jumlah lapisan yang tersimpan untuk peranti PFB: F8BT nanopartikulat organik fotovoltaik (NPOPV) yang dibuat dengan katod Al (bulatan penuh) dan katod Ca / Al (bulatan terbuka). Garis putus-putus dan putus-putus telah ditambahkan untuk memandu mata. Kesalahan rata-rata telah ditentukan berdasarkan varians minimum sepuluh peranti untuk setiap bilangan lapisan.

Oleh itu, peranti F8BT meningkatkan pemisahan exciton berbanding dengan struktur BHJ yang sesuai. Lebih-lebih lagi, penggunaan katod Ca / Al menghasilkan penciptaan keadaan jurang antara muka (Gambar kemudian), yang mengurangkan penggabungan caj yang dihasilkan oleh PFB dalam peranti ini dan mengembalikan voltan litar terbuka ke tahap yang diperoleh untuk peranti BHJ yang dioptimumkan, menghasilkan PCE mendekati 1%.

Langkah 6: Rajah

Gambarajah tahap tenaga untuk nanopartikel PFB: F8BT dengan adanya kalsium. (a) Kalsium meresap melalui permukaan nanopartikel; (b) Kalsium mengikat shell kaya PFB, menghasilkan keadaan jurang. Pemindahan elektron berlaku dari kalsium yang menghasilkan keadaan jurang yang diisi; (c) Eksiton yang dihasilkan pada PFB mendekati bahan PFB yang di-doping (PFB *), dan lubang memindahkan ke keadaan jurang yang diisi, menghasilkan elektron yang lebih bertenaga; (d) Pemindahan elektron dari exciton yang dihasilkan pada F8BT ke sama ada PFB tenaga yang lebih tinggi dengan orbital molekul yang tidak berpenghuni terendah (LUMO) atau tenaga rendah yang diisi PFB * LUMO terhalang.

Peranti NP-OPV dibuat dari P3HT yang tersebar di air: nanopartikel PCBM yang menunjukkan kecekapan penukaran kuasa (PCE) 1.30% dan kecekapan kuantum luaran puncak (EQE) sebanyak 35%. Walau bagaimanapun, tidak seperti sistem PFB: F8BT NPOPV, peranti P3HT: PCBM NPOPV kurang cekap daripada rakan-rakan heterojungsi pukal mereka. Mikroskopi sinar-X transmisi pengimbasan (STXM) mendedahkan bahawa lapisan aktif mengekalkan morfologi NP yang sangat tersusun dan terdiri daripada NP shell inti yang terdiri daripada inti PCBM yang agak tulen dan shell P3HT: PCBM campuran (Gambar seterusnya). Walau bagaimanapun, setelah penyepuhlindapan, peranti NPOPV ini mengalami pemisahan fasa yang luas dan penurunan prestasi peranti yang sepadan. Sesungguhnya, karya ini memberikan penjelasan untuk kecekapan yang lebih rendah dari peranti P3HT anil: PCBM OPV, kerana pemprosesan termal filem NP menghasilkan struktur "anil anil" yang berkesan dengan pemisahan fasa kasar yang berlaku, sehingga mengganggu penjanaan dan pengangkutan cas.

Langkah 7: Ringkasan Prestasi NPOPV

Ringkasan prestasi peranti NPOPV yang dilaporkan dalam beberapa tahun terakhir disajikan dalam

Jadual. Jelas dari jadual bahawa prestasi peranti NPOPV telah meningkat secara mendadak, dengan kenaikan tiga pesanan magnitud.

Langkah 8: Kesimpulan dan Tinjauan Masa Depan

Perkembangan pelapis NPOPV berasaskan air baru-baru ini menunjukkan perubahan paradigma dalam pengembangan peranti OPV kos rendah. Pendekatan ini secara serentak memberikan kawalan morfologi dan menghilangkan keperluan untuk pelarut mudah terbakar yang tidak menentu dalam pengeluaran peranti; dua cabaran utama penyelidikan peranti OPV semasa. Sesungguhnya, pengembangan cat solar berasaskan air menawarkan prospek yang menggoda untuk mencetak peranti OPV kawasan besar menggunakan kemudahan percetakan yang ada. Lebih-lebih lagi, semakin diakui bahawa pengembangan sistem OPV yang dapat dicetak berasaskan air akan sangat menguntungkan dan bahawa sistem bahan semasa berdasarkan pelarut berklorin tidak sesuai untuk pengeluaran skala komersial. Kerja yang dijelaskan dalam tinjauan ini menunjukkan bahawa metodologi NPOPV baru secara umum berlaku dan PCE peranti NPOPV dapat bersaing dengan peranti yang dibina dari pelarut organik. Walau bagaimanapun, kajian ini juga menunjukkan bahawa, dari sudut pandang bahan, NP berperilaku sama sekali berbeza daripada campuran polimer yang berputar dari pelarut organik. Secara berkesan, NP adalah sistem bahan yang sama sekali baru, dan dengan demikian, peraturan lama untuk pembuatan peranti OPV yang telah dipelajari untuk peranti OPV berasaskan organik tidak lagi berlaku. Dalam kes NPOPV berdasarkan campuran polifluorena, morfologi NP menghasilkan penggandaan kecekapan peranti. Walau bagaimanapun, untuk polimer: campuran fullerene (mis., P3HT: PCBM dan P3HT: ICBA), pembentukan morfologi dalam filem NP sangat kompleks, dan faktor lain (seperti penyebaran teras) dapat mendominasi, mengakibatkan struktur dan kecekapan peranti yang tidak optimum. Prospek masa depan untuk bahan-bahan ini sangat menjanjikan, dengan kecekapan peranti meningkat dari 0.004% menjadi 4% dalam masa kurang dari lima tahun. Tahap pengembangan seterusnya akan melibatkan pemahaman mekanisme yang menentukan struktur NP dan morfologi filem NP dan bagaimana ini dapat dikendalikan dan dioptimumkan. Sehingga kini, keupayaan untuk mengawal morfologi lapisan aktif OPV pada skala nano masih belum dapat direalisasikan. Walau bagaimanapun, karya baru-baru ini menunjukkan bahawa penggunaan bahan NP memungkinkan matlamat ini tercapai.