Aurinkomaali: 8 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

Erityinen maali, joka tuottaa suoraa sähköä auringonvalosta.

Orgaanisilla aurinkosähköillä (OPV) on valtava potentiaali edullisina pinnoitteina, jotka pystyvät tuottamaan sähköä suoraan auringonvalosta. Nämä polymeeriseosmateriaalit voidaan tulostaa suurilla nopeuksilla suurilla alueilla käyttämällä rullalta rullalle -käsittelytekniikoita, mikä luo houkuttelevan näkemyksen jokaisen katon ja muun sopivan rakennuspinnan päällystämisestä edullisilla aurinkosähköillä.

Vaihe 1: NP: n synteesi Miniemulsion -prosessin kautta

Nanohiukkasten valmistusmenetelmä käyttää ultraäänienergiaa, joka toimitetaan reaktioseokseen asetetun ultraäänitorven kautta miniemulsion muodostamiseksi (kuva yllä). Ultraäänitorvi mahdollistaa submikrometristen pisaroiden muodostumisen käyttämällä suurta leikkausvoimaa. Nestemäinen vesipitoinen pinta-aktiivista ainetta sisältävä faasi (polaarinen) yhdistetään orgaaniseen polymeerifaasiin, joka on liuotettu kloroformiin (ei-polaarinen) makroemulsion muodostamiseksi ja sitten ultraäänellä miniemulsion muodostamiseksi. Polymeerikloroformipisarat muodostavat dispergoidun faasin jatkuvan vesipitoisen faasin kanssa. Tämä on muunnos tavanomaisesta menetelmästä polymeerin nanohiukkasten tuottamiseksi, jossa dispergoitu faasi oli nestemäinen monomeeri.

Välittömästi miniemulsifikaation jälkeen liuotin poistetaan dispergoiduista pisaroista haihduttamalla, jolloin jäljelle jää polymeerin nanohiukkasia. Lopullista nanohiukkasten kokoa voidaan muuttaa muuttamalla pinta -aktiivisen aineen alkuperäistä pitoisuutta vesifaasissa.

Vaihe 2: NP: n synteesi saostusmenetelmien avulla

Vaihtoehtona miniemulsio -lähestymistavalle saostustekniikat tarjoavat yksinkertaisen reitin puolijohtavien polymeerin nanohiukkasten tuottamiseen injektoimalla aktiivisen materiaalin liuosta toiseen heikosti liukoiseen liuottimeen.

Siten synteesi on nopeaa, ei käytä pinta-aktiivista ainetta, ei vaadi lämmitystä (ja siksi ei nanohiukkasten esikäsittelyä) nanohiukkasten synteesivaiheessa, ja sitä voidaan helposti skaalata suuren mittakaavan materiaalisynteesiin. Yleensä dispersioilla on osoitettu olevan alhaisempi stabiilisuus ja koostumuksen muutos seisoessaan johtuen eri koostumuksesta koostuvien hiukkasten edullisesta saostuksesta. Saostusmenetelmä tarjoaa kuitenkin mahdollisuuden sisällyttää nanohiukkassynteesi osaksi aktiivista tulostusprosessia, jolloin hiukkasia syntyy tarpeen mukaan. Lisäksi Hirsch et ai. ovat osoittaneet, että peräkkäisellä liuottimen syrjäyttämisellä on mahdollista syntetisoida käänteisiä ydin-kuorihiukkasia, joissa rakennejärjestely on vastoin materiaalien luontaisia pintaenergioita.

Vaihe 3: PFB: F8BT -nanohiukkasten orgaaninen aurinkosähkö (NPOPV) -materiaalijärjestelmä

PFB: n tehonmuuntotehokkuuden varhaiset mittaukset: F8BT -nanohiukkaslaitteet aurinkovalaistuksessa ilmoittivat laitteista, joiden Jsc = 1 × 10-5 A cm^-2 ja Voc = 1,38 V, mikä (olettaen parhaan estimoimattoman täyttämättömän täyttökertoimen (FF) (0,28 bulkkisekoituslaitteista) vastaa PCE: tä 0,004%.

Ainoat muut PFB: F8BT -nanohiukkaslaitteiden aurinkosähkömittaukset olivat ulkoiset kvanttitehokkuus (EQE) -käyrät. Monikerroksiset aurinkosähkölaitteet, jotka on valmistettu PFB: F8BT -nanohiukkasista, mikä osoitti suurimman näille polyfluoreenipartikkelimateriaaleille havaitun tehonmuutoshyötysuhteen.

Tämä lisääntynyt suorituskyky saavutettiin ohjaamalla polymeerin nanohiukkasen yksittäisten komponenttien pintaenergioita ja polymeerin nanohiukkaskerrosten saostamisen jälkeistä käsittelyä. Merkittävästi tämä työ osoitti, että valmistetut nanohiukkasmaiset orgaaniset aurinkosähkölaitteet (NPOPV) olivat tehokkaampia kuin tavalliset sekoituslaitteet (kuva myöhemmin).

Vaihe 4: Kuva

Nanohiukkasten ja irtotavarana olevien heterojunktiolaitteiden sähköisten ominaisuuksien vertailu. (a) Viisikerroksisen PFB: n virrantiheyden ja jännitteen vaihtelu: F8BT (poly (9, 9-dioktyylifluoreeni-co-N, N'-bis (4-butyylifenyyli) -N, N'-difenyyli-1, 4-fenyleenidiamiini) (PFB); poly (9,9-dioktyylifluoreenikobentsotiadiatsoli (F8BT)) nanohiukkaset (täytetyt ympyrät) ja irtotavarana oleva heterojunktion (avoimet ympyrät) -laite; (b) Ulkoisen kvanttitehokkuuden (EQE) vaihtelu aallonpituus viisikerroksiselle PFB: lle: F8BT-nanohiukkaset (täytetyt ympyrät) ja irtotavarana oleva heterojunktion (avoimet ympyrät) -laite. Kuvassa (katkoviiva) on myös nanohiukkaskalvolaitteen EQE-käyrä.

Ca- ja Al -katodien (kaksi yleisimpiä elektrodimateriaaleja) vaikutus OPV -laitteissa, jotka perustuvat polyfluoreenisekoitteisiin vesipitoisiin polymeeripartikkeleisiin (NP). Ne osoittivat, että PFB: F8BT NPOPV -laitteet, joissa on Al- ja Ca/Al -katodit, käyttäytyvät laadullisesti hyvin samankaltaisesti, ja PCE -huippu on ~ 0,4% Al: lle ja ~ 0,8% Ca/Al: lle ja että optimoitu paksuus on selkeä. NP -laitteet (seuraava kuva). Optimaalinen paksuus on seurausta ohuiden kalvojen korjausten ja täyttöjen kilpailevista kilpailevista fyysisistä vaikutuksista [32, 33] ja rasitushalkeamien kehittymisestä paksuissa kalvoissa.

Optimaalinen kerroksen paksuus näissä laitteissa vastaa kriittistä halkeilua (CCT), jonka yläpuolella jännityshalkeilua tapahtuu, mikä johtaa alhaiseen shunttiresistanssiin ja laitteen suorituskyvyn heikkenemiseen.

Vaihe 5: Kuva

Tehon muuntotehokkuuden (PCE) vaihtelu PFB: lle kerrostettujen kerrosten lukumäärän kanssa: F8BT -nanohiukkasten orgaaniset aurinkosähkölaitteet (NPOPV), jotka on valmistettu Al -katodilla (täytetyt ympyrät) ja Ca/Al -katodilla (avoimet ympyrät). Silmään on lisätty katkoviivoja ja katkoviivoja. Keskimääräinen virhe on määritetty varianssin perusteella vähintään kymmenelle laitteelle kullekin kerrokselle.

Joten F8BT -laitteet parantavat eksitonin dissosiaatiota suhteessa vastaavaan BHJ -rakenteeseen. Lisäksi Ca/Al -katodin käyttö synnyttää rajapintojen välitiloja (kuva myöhemmin), jotka vähentävät PFB: n tuottamien varausten rekombinaatiota näissä laitteissa ja palauttavat avoimen piirin jännitteen tasolle, joka on saatu optimoidulle BHJ -laitteelle, jolloin PCE lähestyy 1%.

Vaihe 6: Kuva

Energiatason kaaviot PFB: F8BT -nanohiukkasille kalsiumin läsnä ollessa. a) kalsium diffundoituu nanohiukkasten pinnan läpi; (b) Kalsium doping PFB-rikas kuori, joka tuottaa aukkotiloja. Elektronien siirto tapahtuu kalsiumia tuottavista täytetyistä aukkotiloista; (c) PFB: lle syntyvä eksitoni lähestyy seostettua PFB -materiaalia (PFB*), ja reikä siirtyy täytettyyn aukkotilaan, jolloin saadaan energisempi elektroni; (d) Elektroninsiirto F8BT: llä muodostetusta eksitonista joko korkeamman energian PFB: n matalimmalle tyhjälle molekyyliradalle (LUMO) tai täytetylle alemman energian PFB* LUMO: lle estyy.

NP-OPV-laitteet, jotka on valmistettu vedessä dispergoidusta P3HT: PCBM-nanohiukkasista, joiden tehonmuutoshyötysuhde (PCE) oli 1,30% ja huippuhyötyteho (EQE) 35%. Kuitenkin toisin kuin PFB: F8BT NPOPV -järjestelmä, P3HT: PCBM NPOPV -laitteet olivat vähemmän tehokkaita kuin niiden irtotavarana olevat heterojunktion vastaiset laitteet. Skannauslähetysröntgenmikroskopia (STXM) paljasti, että aktiivinen kerros säilyttää hyvin rakenteellisen NP-morfologian ja käsittää ydin-kuoren NP: t, jotka koostuvat suhteellisen puhtaasta PCBM-ytimestä ja sekoitetusta P3HT: PCBM-kuorista (seuraava kuva). Kuitenkin hehkutuksen jälkeen nämä NPOPV -laitteet käyvät läpi suuren vaiheerotuksen ja vastaavasti laitteen suorituskyvyn heikkenemisen. Tämä työ antoi todellakin selityksen hehkutettujen P3HT: PCBM OPV -laitteiden pienemmälle tehokkuudelle, koska NP-kalvon lämpökäsittely johtaa tehokkaasti "ylikuumennettuun" rakenteeseen, jossa esiintyy bruttovaiheerotusta, mikä häiritsee varauksen syntymistä ja siirtoa.

Vaihe 7: Yhteenveto NPOPV: n suorituskyvystä

Yhteenveto NPOPV -laitteiden suorituskyvystä viime vuosien aikana on esitetty

Pöytä. Taulukosta käy selvästi ilmi, että NPOPV -laitteiden suorituskyky on lisääntynyt dramaattisesti ja noussut kolme suuruusluokkaa.

Vaihe 8: Johtopäätökset ja tulevaisuuden näkymät

Vesipohjaisten NPOPV-pinnoitteiden viimeaikainen kehitys edustaa paradigman muutosta halpojen OPV-laitteiden kehittämisessä. Tämä lähestymistapa hallitsee samanaikaisesti morfologiaa ja eliminoi haihtuvien syttyvien liuottimien tarpeen laitteiden tuotannossa; kaksi nykyisen OPV -laitetutkimuksen keskeistä haastetta. Itse asiassa vesipohjaisen aurinkomaalin kehittäminen tarjoaa houkuttelevan mahdollisuuden tulostaa suuren alueen OPV-laitteita käyttämällä mitä tahansa olemassa olevaa tulostuslaitosta. Lisäksi tunnustetaan yhä enemmän, että vesipohjaisen tulostettavan OPV-järjestelmän kehittäminen olisi erittäin edullista ja että nykyiset kloorattuihin liuottimiin perustuvat materiaalijärjestelmät eivät sovellu kaupalliseen mittakaavaan. Tässä katsauksessa kuvattu työ osoittaa, että uusi NPOPV -menetelmä on yleisesti sovellettavissa ja että NPOPV -laitteiden PCE: t voivat olla kilpailukykyisiä orgaanisista liuottimista valmistettujen laitteiden kanssa. Nämä tutkimukset paljastavat kuitenkin myös, että materiaalien kannalta NP: t käyttäytyvät täysin eri tavalla kuin orgaanisista liuottimista kehrättyjä polymeeriseoksia. Käytännössä NP: t ovat täysin uusi materiaalijärjestelmä, ja sellaisinaan vanhat OPV-laitteiden valmistussäännöt, jotka on opittu orgaanisille OPV-laitteille, eivät enää päde. Polyfluoreeniseoksiin perustuvien NPOPV -laitteiden NP -morfologia johtaa laitteen tehokkuuden kaksinkertaistumiseen. Kuitenkin polymeeri: fullereeniseoksilla (esim. P3HT: PCBM ja P3HT: ICBA) morfologian muodostuminen NP -kalvoissa on erittäin monimutkaista ja muut tekijät (kuten ydindiffuusio) voivat hallita, mikä johtaa optimoimattomiin laiterakenteisiin ja tehokkuuteen. Näiden materiaalien tulevaisuudennäkymät ovat erittäin lupaavat, ja laitteen hyötysuhde on noussut 0,004 prosentista 4 prosenttiin alle viidessä vuodessa. Seuraavassa kehitysvaiheessa on ymmärrettävä mekanismit, jotka määrittävät NP -rakenteen ja NP -kalvon morfologian ja miten niitä voidaan hallita ja optimoida. Toistaiseksi kyky hallita OPV -aktiivisten kerrosten morfologiaa nanomittakaavassa on vielä toteuttamatta. Viimeaikaiset työt osoittavat kuitenkin, että NP -materiaalien käyttö voi mahdollistaa tämän tavoitteen saavuttamisen.