Solární barva: 8 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Konkrétní barva, která vyrábí přímou elektřinu ze slunečního světla.

Organická fotovoltaika (OPV) nabízí obrovský potenciál jako levné povlaky schopné generovat elektřinu přímo ze slunečního světla. Tyto materiály z polymerních směsí lze tisknout vysokými rychlostmi na velké plochy pomocí technik zpracování roll-to-roll, což vytváří lákavou vizi potažení každé střechy a jiného vhodného povrchu budovy levnou fotovoltaikou.

Krok 1: Syntéza NP pomocí procesu miniemulze

Metoda výroby nanočástic využívá ultrazvukovou energii dodávanou pomocí ultrazvukového rohu vloženého do reakční směsi k vytvoření miniemulze (obrázek výše). Ultrazvukový roh umožňuje tvorbu submikrometrových kapiček použitím vysoké smykové síly. Kapalná vodná fáze obsahující povrchově aktivní látku (polární) se spojí s organickou fází polymeru rozpuštěného v chloroformu (nepolární) za vzniku makroemulze, poté se ultrazvukem vytvoří miniemulze. Polymerní kapky chloroformu tvoří dispergovanou fázi s vodnou kontinuální fází. Toto je modifikace obvyklé metody pro generování polymerních nanočástic, kde dispergovanou fází byl kapalný monomer.

Bezprostředně po miniemulzifikaci se rozpouštědlo odstraní z dispergovaných kapiček odpařením a zůstanou nanočástice polymeru. Konečnou velikost nanočástic lze měnit změnou počáteční koncentrace povrchově aktivní látky ve vodné fázi.

Krok 2: Syntéza NP pomocí srážecích metod

Jako alternativu k přístupu s miniemulzí nabízejí srážecí techniky jednoduchou cestu k výrobě polovodičových nanočástic polymeru vstřikováním roztoku aktivního materiálu do druhého rozpouštědla se špatnou rozpustností.

Syntéza jako taková je rychlá, nepoužívá povrchově aktivní látku, nevyžaduje žádné zahřívání (a tedy žádné prefabrikační žíhání nanočástic) ve fázi syntézy nanočástic a lze ji snadno zvětšit pro syntézu materiálu ve velkém měřítku. Obecně se ukázalo, že disperze mají nižší stabilitu a vykazují změnu složení po stání v důsledku preferenčního vysrážení částic odlišného složení. Srážkový přístup však nabízí příležitost zahrnout syntézu nanočástic jako součást aktivního tiskového procesu, přičemž částice se generují podle potřeby. Dále Hirsch a kol. ukázaly, že postupným vytlačováním rozpouštědla je možné syntetizovat obrácené částice jádro-plášť, kde je strukturní uspořádání proti přirozeným povrchovým energiím materiálů.

Krok 3: PFB: F8BT Nanočásticový organický fotovoltaický (NPOPV) materiálový systém

Počáteční měření účinnosti přeměny energie PFB: Zařízení s nanočásticemi F8BT pod slunečním osvětlením vykazovala zařízení s Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 a Voc = 1,38 V, což (za předpokladu nejlepšího odhadu nežehlivého výplňového faktoru (FF) 0,28 ze zařízení pro hromadnou směs) odpovídá PCE 0,004%.

Jedinými dalšími fotovoltaickými měřeními nanočásticových zařízení PFB: F8BT byly grafy externí kvantové účinnosti (EQE). Vícevrstevná fotovoltaická zařízení vyrobená z nanočástic PFB: F8BT, která prokázala nejvyšší účinnost přeměny energie pozorovanou u těchto polyfluorenových nanočásticových materiálů.

Tohoto zvýšeného výkonu bylo dosaženo kontrolou povrchových energií jednotlivých složek v polymerních nanočásticích a post-depozičním zpracováním vrstev polymerních nanočástic. Je příznačné, že tato práce ukázala, že vyrobené nanočásticové organické fotovoltaické (NPOPV) zařízení byly účinnější než standardní směsná zařízení (obrázek dále).

Krok 4: Obrázek

Porovnání elektrických charakteristik nanočásticových a hromadných heterojunkčních zařízení. (a) Variace proudové hustoty vs. napětí pro pětivrstvý PFB: F8BT (poly (9, 9-dioktylfluoren-co-N, N'-bis (4-butylfenyl) -N, N'-difenyl-1, 4-fenylendiamin) (PFB); poly (9, 9-dioktylfluoren-co-benzothiadiazol (F8BT)) nanočástice (plné kruhy) a zařízení pro hromadné heterojunkce (otevřené kruhy); (b) Variace vnější kvantové účinnosti (EQE) vs..vlnová délka pro pětivrstvý nanočásticový PFB: F8BT (plné kruhy) a zařízení pro hromadné heterojunkce (otevřené kruhy). Rovněž je znázorněna (přerušovaná čára) graf EQE pro nanočásticový filmový přístroj.

Účinek katod Ca a Al (dva z nejběžnějších materiálů elektrod) v zařízeních OPV založených na disperzích vodných polymerních nanočástic (NP) směsí polyfluorenových směsí. Ukázali, že zařízení PFB: F8BT NPOPV s katodami Al a Ca/Al vykazují kvalitativně velmi podobné chování, s vrcholem PCE ~ 0,4% pro Al a ~ 0,8% pro Ca/Al a že existuje výrazná optimalizovaná tloušťka pro Zařízení NP (další obrázek). Optimální tloušťka je důsledkem konkurenčních fyzikálních efektů opravy a vyplňování defektů u tenkých vrstev [32, 33] a vývoje napěťových trhlin v silných fóliích.

Optimální tloušťka vrstvy v těchto zařízeních odpovídá kritické tloušťce praskání (CCT), nad kterou dochází k praskání napětím, což má za následek nízkou odolnost vůči zkratu a snížení výkonu zařízení.

Krok 5: Obrázek

Variace účinnosti přeměny energie (PCE) s počtem nanesených vrstev pro PFB: zařízení s nanočásticovou organickou fotovoltaickou energií (NPOPV) F8BT vyrobená s Al katodou (plné kruhy) a Ca/Al katodou (otevřené kruhy). Pro vedení oka byly přidány tečkované a přerušované čáry. Průměrná chyba byla stanovena na základě rozptylu pro minimálně deset zařízení pro každý počet vrstev.

Zařízení F8BT tedy zvyšují disociaci excitonu vzhledem k odpovídající struktuře BHJ. Kromě toho má použití katody Ca/Al za následek vytvoření mezifázových mezerových stavů (obrázek dále), které snižují rekombinaci nábojů generovaných PFB v těchto zařízeních a obnovují napětí v otevřeném obvodu na úroveň získanou pro optimalizované zařízení BHJ, což má za následek PCE blížící se 1%.

Krok 6: Obrázek

Diagramy energetické hladiny pro PFB: nanočástice F8BT za přítomnosti vápníku. (a) Vápník difunduje povrchem nanočástic; (b) Vápník dopuje skořápku bohatou na PFB a vytváří mezerové stavy. K přenosu elektronů dochází ze stavů vyplněných mezer produkujících vápník; (c) Exciton generovaný na PFB se blíží k dopovanému materiálu PFB (PFB*) a díra se přenese do stavu vyplněné mezery, čímž vzniká energičtější elektron; (d) Brání přenosu elektronu z excitonu generovaného na F8BT buď na PFB s nejnižší energií s nejnižším neobsazeným molekulárním orbitálem (LUMO), nebo na PFB* LUMO s nižší energií.

Zařízení NP-OPV vyrobená z ve vodě rozptýlených P3HT: nanočástic PCBM, které vykazovaly účinnost přeměny energie (PCE) 1,30% a špičkovou vnější kvantovou účinnost (EQE) 35%. Na rozdíl od systému NPOPV PFB: F8BT však byla zařízení NPOPV P3HT: PCBM méně účinná než jejich hromadné heterojunkční protějšky. Skenovací transmisní rentgenová mikroskopie (STXM) odhalila, že aktivní vrstva si zachovává vysoce strukturovanou morfologii NP a obsahuje NP-jádro-plášť skládající se z relativně čistého jádra PCBM a smíšeného obalu P3HT: PCBM (další obrázek). Po žíhání však tato zařízení NPOPV procházejí rozsáhlou fázovou segregací a odpovídajícím snížením výkonu zařízení. Tato práce skutečně poskytla vysvětlení pro nižší účinnost vyžíhaných zařízení P3HT: PCBM OPV, protože tepelné zpracování NP fólie má za následek efektivně „přežíhanou“strukturu s hrubou fázovou segregací, což narušuje generování a transport náboje.

Krok 7: Souhrn výkonu NPOPV

Je uveden souhrn výkonu zařízení NPOPV hlášených za posledních několik let

Stůl. Z tabulky je patrné, že výkon zařízení NPOPV dramaticky vzrostl a vzrostl o tři řády.

Krok 8: Závěry a výhled do budoucna

Nedávný vývoj povlaků NPOPV na vodní bázi představuje posun paradigmatu ve vývoji levných OPV zařízení. Tento přístup současně zajišťuje kontrolu morfologie a eliminuje potřebu těkavých hořlavých rozpouštědel při výrobě zařízení; dvě klíčové výzvy současného výzkumu zařízení OPV. Vývoj solární barvy na vodní bázi nabízí skličující vyhlídky na tisk velkoplošných OPV zařízení pomocí jakéhokoli stávajícího tiskového zařízení. Kromě toho se stále více uznává, že vývoj OPV systému tisknutelného na vodě by byl velmi výhodný a že současné materiálové systémy založené na chlorovaných rozpouštědlech nejsou vhodné pro výrobu v komerčním měřítku. Práce popsaná v tomto přehledu ukazuje, že nová metodika NPOPV je obecně použitelná a že PCE zařízení NPOPV mohou konkurovat zařízením vyrobeným z organických rozpouštědel. Tyto studie však také ukazují, že z materiálového hlediska se NP chovají úplně jinak než polymerní směsi spřádané z organických rozpouštědel. Účinně jsou NP zcela novým materiálovým systémem, a proto již neplatí stará pravidla pro výrobu OPV zařízení, která byla naučena pro OPV zařízení na organické bázi. V případě NPOPV na bázi směsí polyfluorenu vede morfologie NP ke zdvojnásobení účinnosti zařízení. U směsí polymer: fulleren (např. P3HT: PCBM a P3HT: ICBA) je však tvorba morfologie ve filmech NP velmi složitá a dominovat mohou i další faktory (například jádrová difúze), což vede k neoptimalizovaným strukturám zařízení a účinnosti. Výhled do budoucna pro tyto materiály je extrémně slibný, přičemž účinnost zařízení vzrostla z 0,004% na 4% za méně než pět let. Další fáze vývoje bude zahrnovat pochopení mechanismů, které určují strukturu NP a morfologii NP filmu a jak je lze kontrolovat a optimalizovat. Do dnešního dne musí být schopnost řídit morfologii aktivních vrstev OPV na nanorozsahu teprve realizována. Nedávná práce však ukazuje, že aplikace NP materiálů může umožnit dosažení tohoto cíle.