Күн бояуы: 8 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:25

Күн сәулесінен тікелей электр энергиясын өндіретін ерекше бояу.

Органикалық фотоэлектриктер (ОПВ) үлкен әлеуетті ұсынады, өйткені күн сәулесінен тікелей электр энергиясын өндіруге қабілетті қымбат емес жабындар. Бұл полимерлі қоспалы материалдарды әр түрлі шатырды және басқа қолайлы құрылыс бетін арзан фотоэлектрлік материалдармен қаптаудың керемет көрінісін тудыра отырып, орамды өңдеу әдістерін қолдана отырып, үлкен аумақтарда жоғары жылдамдықпен басып шығаруға болады.

1 -қадам: Миниэмульсиялық процесс арқылы НП синтезі

Нанобөлшектерді дайындау әдісі миниэмульсия алу үшін реакция қоспасына енгізілген ультрадыбыстық мүйіз арқылы жеткізілетін ультрадыбыстық энергияны пайдаланады (жоғарыдағы сурет). Ультрадыбыстық мүйіз субмикрометрлік тамшылардың пайда болуын жоғары ығысу күші арқылы мүмкін етеді. Құрамында сұйық сулы БАЗ бар фаза (полярлық) макроэмульсия алу үшін хлороформда (полярлы емес) еріген полимердің органикалық фазасымен біріктіріледі, содан кейін миниэмульсияны қалыптастыру үшін ультрадыбыспен өңделеді. Полимерлі хлороформ тамшылары сулы үздіксіз фазасы бар дисперсті фазаны құрайды. Бұл дисперсті фазасы сұйық мономер болатын полимерлі нанобөлшектерді алудың әдеттегі әдісінің модификациясы.

Миниэмульфикациядан кейін бірден еріткіш дисперсті тамшылардан булану арқылы шығарылады, полимерлі нанобөлшектер қалады. Нанобөлшектердің соңғы мөлшерін сулы фазада БАЗ бастапқы концентрациясын өзгерту арқылы өзгертуге болады.

2 -қадам: Тұндыру әдістері арқылы НП синтезі

Миниэмульсиялық тәсілге балама ретінде тұндыру әдістері нашар еритін екінші еріткішке белсенді материал ерітіндісін енгізу арқылы жартылай өткізгіш полимерлі нанобөлшектерді шығарудың қарапайым жолын ұсынады.

Осылайша, синтез тез жүреді, БАЗ қолданылмайды, нанобөлшектердің синтез фазасында қыздыруды қажет етпейді (демек, нанобөлшектерді алдын ала күйдіруді қажет етпейді) және материалды кең ауқымды синтездеу үшін масштабтауға болады. Жалпы алғанда, дисперсиялар төмен тұрақтылыққа ие және әр түрлі құрамды бөлшектердің преференциалды жауын -шашынына байланысты тұрғанда композициялық өзгерісті көрсетеді. Алайда, жауын -шашын әдісі нанобөлшектер синтезін белсенді басып шығару процесінің бөлігі ретінде қосуға мүмкіндік береді, ал бөлшектер қажет болған жағдайда түзіледі. Сонымен қатар, Хирш және т.б. еріткіштердің бірінен соң бірі орын ауыстыруы нәтижесінде құрылымдық орналасуы материалдардың беттік энергиясына қайшы келетін инверттелген қабықша бөлшектерін синтездеуге болатынын көрсетті.

3 -қадам: PFB: F8BT нанобөлшекті органикалық фотоэлектрлік (NPOPV) материалдық жүйе

PFB қуатын түрлендіру тиімділігін ерте өлшеу: күн сәулесіндегі F8BT нанобөлшектері құрылғылары Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 және Voc = 1.38 В болатын құрылғыларды хабарлады, бұл (ең жақсы бағаланған толтырылмаған коэффициент (FF) 0,28 массалық араластыру қондырғыларынан) 0,004%PCE сәйкес келеді.

PFB: F8BT нанобөлшектерінің басқа фотоэлектрлік өлшемдері сыртқы кванттық тиімділік (EQE) графиктері болды. PFB: F8BT нанобөлшектерінен жасалған көп қабатты фотоэлектрлік қондырғылар, бұл полифторлы нанобөлшектердің материалдары үшін қуатты түрлендірудің ең жоғары тиімділігін көрсетті.

Бұл өнімділіктің жоғарылауына полимерлі нанобөлшектердегі жеке компоненттердің беттік энергиясын бақылау және полимерлі нанобөлшектердің қабаттарын тұндырудан кейінгі өңдеу арқылы қол жеткізілді. Маңыздысы, бұл жұмыс нанобөлшекті органикалық фотоэлектрлік (NPOPV) құрылғылар стандартты араластыру құрылғыларына қарағанда тиімдірек екенін көрсетті (кейінірек суретте).

4 -қадам: Сурет

Нанобөлшектер мен көлемді гетерожүйелік құрылғылардың электрлік сипаттамаларын салыстыру. (a) Бес қабатты ПФБ үшін ток тығыздығының кернеуге қарсы өзгеруі: F8BT (поли (9, 9-диоктильфторен-ко-Н, Н'-бис (4-бутилфенил) -N, N'-дифенил-1, 4-фенилендиамин) (PFB); поли (9, 9-диоктилфторен-ко-бензотиадиазол (F8BT)) нанобөлшекті (толтырылған шеңберлер) және көлемді гетерохинкциялы (ашық шеңберлер) құрылғы; (b) Сыртқы кванттық тиімділіктің өзгеруі (EQE) Бес қабатты PFB үшін толқын ұзындығы: F8BT нанобөлшектер (толтырылған шеңберлер) және көлемді гетерохинция (ашық шеңберлер) құрылғысы. Сонымен қатар нанобөлшекті пленка құрылғысына арналған EQE сюжеті көрсетілген.

Полифлуоренді қоспалы сулы полимерлі нанобөлшектердің (NP) дисперсиясына негізделген ОПВ қондырғыларында Ca және Al катодтарының (екі кең таралған электрод материалдарының) әсері. Олар Al және Ca/Al катодтары бар PFB: F8BT NPOPV құрылғылары сапалы өте ұқсас мінез -құлықты көрсетеді, PCE шыңы Al үшін ~ 0.4% және Ca/Al үшін ~ 0.8% құрайды, және олардың оңтайландырылған қалыңдығы бар екенін көрсетті. NP құрылғылары (келесі сурет). Оңтайлы қалыңдық - жіңішке пленкалардағы ақауларды жөндеу мен толтырудың бәсекелес физикалық әсерлерінің салдары [32, 33] және қалың қабықшаларда кернеу крекингінің дамуы.

Бұл құрылғылардағы қабаттың оңтайлы қалыңдығы крекингтің критикалық қалыңдығына сәйкес келеді, оның үстінде кернеу пайда болады, нәтижесінде шунтқа төзімділігі төмен және құрылғының өнімділігі төмендейді.

5 -қадам: Сурет

PFB үшін жинақталған қабаттардың санына байланысты энергияны түрлендіру тиімділігінің өзгеруі: F8BT Al katod (толтырылған шеңберлер) мен Ca/Al катодымен (ашық шеңберлер) жасалған нанобөлшекті органикалық фотоэлектрлік (NPOPV) құрылғылар. Көзді бағыттау үшін нүктелі және үзік сызықтар қосылды. Орташа қате әр қабат саны үшін кемінде он құрылғының дисперсиясына негізделген.

Сонымен, F8BT құрылғылары тиісті BHJ құрылымына қатысты экситон диссоциациясын жақсартады. Сонымен қатар, Ca/Al катодын қолдану интерфейсаралық саңылау жағдайларын құруға әкеледі (кейінірек суретте), бұл құрылғыларда ПФБ шығаратын зарядтардың рекомбинациясын төмендетеді және оңтайландырылған BHJ құрылғысы үшін алынған деңгейге дейін ашық тізбектің кернеуін қалпына келтіреді. нәтижесінде PCE 1%-ға жақындайды.

6 -қадам: Сурет

PFB үшін энергия деңгейінің диаграммасы: кальций қатысындағы F8BT нанобөлшектері. а) кальций нанобөлшектердің беті арқылы таралады; (b) Кальций PFB-ге бай қабықты қосады, алшақтық күйлерін шығарады. Электронды беру кальций шығаратын толтырылған саңылаулар күйінен жүреді; (с) ПФБ -да пайда болған экситон қосылатын ПФБ материалына (ПФБ*) жақындайды, ал тесік толып кеткен күйге ауысады, одан энергиялы электрон шығады; (d) F8BT -де шығарылатын экситоннан не жоғары энергиялы PFB ең төменгі бос емес молекулалық орбитальға (LUMO), не толтырылған төменгі энергия PFB* LUMO -ға электронды тасымалдау кедергі болады.

Суда дисперсті P3HT: NB-OPV қондырғылары: ПХД нанобөлшектері, электр энергиясын түрлендірудің тиімділігі (PCEs) 1,30% және сыртқы кванттық тиімділік (EQE) 35% көрсетті. Алайда, PFB: F8BT NPOPV жүйесінен айырмашылығы, P3HT: PCBM NPOPV құрылғылары олардың гетерохинкстік аналогтарына қарағанда тиімділігі төмен болды. Сканерлейтін рентгендік микроскопия (STXM) белсенді қабаттың жоғары құрылымдық NP морфологиясын сақтайтынын және салыстырмалы түрде таза ПХД ядросы мен аралас P3HT: PCBM қабығынан тұратын негізгі қабықтан тұратын NP-ден тұратындығын көрсетті (келесі сурет). Алайда, күйдіру кезінде бұл NPOPV құрылғылары кең фазалық сегрегациядан өтеді және сәйкесінше құрылғының өнімділігі төмендейді. Шынында да, бұл жұмыс күйдірілген P3HT: PCBM OPV қондырғыларының тиімділігінің төмендеуіне түсініктеме берді, өйткені NP пленкасын термиялық өңдеу нәтижесінде фазаның жалпы сегрегациясы орын алатын тиімді «шамадан тыс күйдірілген» құрылым пайда болады, осылайша зарядтың пайда болуы мен тасымалы бұзылады.

7 -қадам: NPOPV өнімділігінің қысқаша мазмұны

Соңғы бірнеше жыл ішінде NPOPV құрылғыларының жұмысының қысқаша мазмұны ұсынылған

Кесте. Кестеден NPOPV қондырғыларының өнімділігі күрт жоғарылағаны анықталды.

8 -қадам: Қорытынды және болашаққа болжам

Су негізіндегі NPOPV жабындарының жақында дамуы арзан OPV қондырғыларының дамуындағы парадигманың өзгеруін білдіреді. Бұл тәсіл бір мезгілде морфологияны бақылауды қамтамасыз етеді және қондырғылар өндірісінде тез тұтанғыш еріткіштерге қажеттілікті жояды; OPV құрылғыларын зерттеудің екі негізгі міндеті. Шынында да, су негізіндегі күн бояуын жасау кез келген қолданыстағы полиграфиялық қондырғыларды қолдана отырып, кең аумақты ОПВ қондырғыларын басып шығарудың керемет перспективасын ұсынады. Сонымен қатар, суға негізделген басып шығарылатын ОРВ жүйесін жасау өте тиімді болатыны және хлорлы еріткіштерге негізделген қазіргі материалдық жүйелер коммерциялық өндіріс үшін жарамсыз екендігі белгілі болды. Бұл шолуда сипатталған жұмыс NPOPV жаңа әдістемесі әдетте қолданылатынын және NPOPV құрылғысының PCE -лерінің органикалық еріткіштерден жасалған құрылғылармен бәсекеге қабілетті болатынын көрсетеді. Алайда, бұл зерттеулер сонымен қатар, материалдық тұрғыдан алғанда, НР органикалық еріткіштерден алынған полимерлі қоспалардан мүлде өзгеше әрекет ететінін көрсетеді. Нәтижесінде, НР-бұл мүлдем жаңа материалдық жүйе, сондықтан ОРВ құрылғыларын өндірудің органикалық негіздегі қондырғылары үшін үйренген ескі ережелері қолданылмайды. Полифторлы қоспаларға негізделген NPOPV жағдайында NP морфологиясы құрылғының тиімділігін екі есе арттырады. Алайда, полимер: фуллерен қоспалары үшін (мысалы, P3HT: PCBM және P3HT: ICBA), NP пленкаларында морфологияның түзілуі өте күрделі, ал басқа факторлар (мысалы, ядро диффузиясы) басым болуы мүмкін, нәтижесінде құрылғы құрылымы мен тиімділігі шектелмейді. Бұл материалдардың болашақ перспективасы өте перспективалы, бес жыл ішінде құрылғының тиімділігі 0,004% -дан 4% -ға дейін өсті. Дамудың келесі кезеңі NP құрылымын және NP пленкасының морфологиясын анықтайтын механизмдерді және оларды қалай басқаруға және оңтайландыруға болатынын түсінуді қамтиды. Наноөлшемде OPV белсенді қабаттарының морфологиясын бақылау мүмкіндігі әлі күнге дейін іске асқан жоқ. Алайда, соңғы жұмыс НП материалдарын қолдану бұл мақсатқа жетуге мүмкіндік беретінін көрсетеді.