Zonneverf: 8 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Een bijzondere verf die direct elektriciteit produceert uit het zonlicht.

Organische fotovoltaïsche cellen (OPV's) bieden een enorm potentieel als goedkope coatings die rechtstreeks uit zonlicht elektriciteit kunnen opwekken. Deze polymeermengsels kunnen met hoge snelheden over grote oppervlakken worden geprint met behulp van roll-to-roll-verwerkingstechnieken, waardoor het verleidelijke beeld ontstaat van het coaten van elk dak en ander geschikt gebouwoppervlak met goedkope fotovoltaïsche cellen.

Stap 1: Synthese van NP's via het mini-emulsieproces

De fabricagemethode voor nanodeeltjes maakt gebruik van ultrasone energie die wordt afgegeven via een ultrasone hoorn die in het reactiemengsel wordt ingebracht om een mini-emulsie te genereren (Figuur hierboven). De ultrasone hoorn maakt de vorming van submicrometerdruppels mogelijk door een hoge schuifkracht toe te passen. Een vloeibare waterige oppervlakteactieve stof bevattende fase (polair) wordt gecombineerd met een organische fase van polymeer opgelost in chloroform (niet-polair) om een macro-emulsie te genereren, en vervolgens ultrasoon behandeld om een mini-emulsie te vormen. De druppeltjes van polymeerchloroform vormen de gedispergeerde fase met een waterige continue fase. Dit is een wijziging van de gebruikelijke methode voor het genereren van polymeer nanodeeltjes waarbij de gedispergeerde fase vloeibaar monomeer was.

Onmiddellijk na mini-emulsificatie wordt het oplosmiddel via verdamping uit de gedispergeerde druppeltjes verwijderd, waardoor polymere nanodeeltjes achterblijven. De uiteindelijke grootte van nanodeeltjes kan worden gevarieerd door de initiële concentratie van oppervlakteactieve stof in de waterige fase te veranderen.

Stap 2: Synthese van NP's via precipitatiemethoden

Als alternatief voor de mini-emulsiebenadering bieden precipitatietechnieken een eenvoudige route naar de productie van halfgeleidende polymere nanodeeltjes via de injectie van een oplossing van actief materiaal in een tweede oplosmiddel met een slechte oplosbaarheid.

Als zodanig is de synthese snel, gebruikt geen oppervlakteactieve stof, vereist geen verwarming (en dus geen prefabricage-uitgloeiing van de nanodeeltjes) in de synthesefase van nanodeeltjes en kan gemakkelijk worden opgeschaald voor de grootschalige synthese van materiaal. In het algemeen is aangetoond dat de dispersies een lagere stabiliteit hebben en een verandering van samenstelling vertonen bij staan als gevolg van preferentiële precipitatie van deeltjes van verschillende samenstelling. De precipitatiebenadering biedt echter de mogelijkheid om de synthese van nanodeeltjes op te nemen als onderdeel van een actief printproces, waarbij deeltjes worden gegenereerd wanneer en wanneer dat nodig is. Verder hebben Hirsch et al. hebben aangetoond dat het door opeenvolgende oplosmiddelverplaatsing mogelijk is om omgekeerde kern-schildeeltjes te synthetiseren waarbij de structurele rangschikking in strijd is met de inherente oppervlakte-energieën van de materialen.

Stap 3: Het PFB:F8BT Nanoparticulate Organic Photovoltaic (NPOPV) materiaalsysteem

Vroege metingen van de energieconversie-efficiëntie van PFB: F8BT-nanodeeltjesapparaten onder zonneverlichting meldden apparaten met een Jsc = 1 × 10 −5 A cm ^ −2 en Voc = 1,38 V, die (uitgaande van een beste schatting niet-gegloeide vulfactor (FF) van 0,28 uit bulkblendapparaten) komt overeen met een PCE van 0,004%.

De enige andere fotovoltaïsche metingen van PFB: F8BT nanodeeltjesapparaten waren externe kwantumefficiëntie (EQE) grafieken. Meerlagige fotovoltaïsche apparaten vervaardigd uit PFB: F8BT-nanodeeltjes, die de hoogste energieconversie-efficiëntie vertoonden die werd waargenomen voor deze polyfluoreen-nanodeeltjesmaterialen.

Deze verbeterde prestatie werd bereikt door de beheersing van de oppervlakte-energieën van de afzonderlijke componenten in het polymeer nanodeeltje en de verwerking na de afzetting van de lagen polymeer nanodeeltje. Het is veelbetekenend dat dit werk aantoonde dat de gefabriceerde nanodeeltjes organische fotovoltaïsche (NPOPV) apparaten efficiënter waren dan de standaard blend-apparaten (figuur later).

Stap 4: Figuur

Vergelijking van de elektrische kenmerken van nanodeeltjes en bulk heterojunctie-apparaten. (a) Variatie van stroomdichtheid versus spanning voor een vijflaagse PFB:F8BT (poly(9,9-dioctylfluoreen-co-N, N'-bis(4-butylfenyl)-N, N'-difenyl-1, 4-fenyleendiamine) (PFB); poly(9,9-dioctylfluoreen-co-benzothiadiazool (F8BT)) nanodeeltjes (gevulde cirkels) en een bulk heterojunctie (open cirkels) apparaat; (b) Variatie van externe kwantumefficiëntie (EQE) versus golflengte voor een vijflaags PFB:F8BT nanodeeltjes (gevulde cirkels) en een bulk heterojunctie (open cirkels) apparaat. Ook getoond (stippellijn) is de EQE-plot voor het nanodeeltjes filmapparaat.

Het effect van Ca- en Al-kathoden (twee van de meest voorkomende elektrodematerialen) in OPV-apparaten op basis van dispersies van polyfluoreenmengsel van waterige polymeren nanodeeltjes (NP). Ze toonden aan dat PFB:F8BT NPOPV-apparaten met Al- en Ca/Al-kathoden kwalitatief zeer vergelijkbaar gedrag vertonen, met een piek-PCE van ~0,4% voor Al en ~0,8% voor Ca/Al, en dat er een duidelijk geoptimaliseerde dikte is voor de NP-apparaten (volgende afbeelding). De optimale dikte is een gevolg van de concurrerende fysieke effecten van het repareren en opvullen van defecten voor dunne films [32, 33] en de ontwikkeling van spanningsscheuren in dikke films.

De optimale laagdikte in deze apparaten komt overeen met de kritische scheurdikte (CCT) waarboven spanningsscheuren optreedt, wat resulteert in een lage shuntweerstand en een vermindering van de prestaties van het apparaat.

Stap 5: Figuur

Variatie van stroomconversie-efficiëntie (PCE) met het aantal afgezette lagen voor PFB: F8BT nanodeeltjes organische fotovoltaïsche (NPOPV) apparaten vervaardigd met een Al-kathode (gevulde cirkels) en een Ca/Al-kathode (open cirkels). Gestippelde en onderbroken lijnen zijn toegevoegd om het oog te leiden. Een gemiddelde fout is bepaald op basis van de variantie voor minimaal tien apparaten voor elk aantal lagen.

F8BT-apparaten verbeteren dus de excitondissociatie ten opzichte van de overeenkomstige BHJ-structuur. Bovendien resulteert het gebruik van een Ca/Al-kathode in het creëren van interfacial gap-toestanden (figuur later), die de recombinatie van ladingen die door de PFB in deze apparaten worden gegenereerd, verminderen en de nullastspanning herstellen tot het niveau dat is verkregen voor een geoptimaliseerd BHJ-apparaat, wat resulteert in een PCE van bijna 1%.

Stap 6: Afbeelding

Energieniveaudiagrammen voor PFB:F8BT nanodeeltjes in aanwezigheid van calcium. (a) Calcium diffundeert door het oppervlak van de nanodeeltjes; (b) Calcium dopt de PFB-rijke schaal, waardoor gap-toestanden ontstaan. Elektronenoverdracht vindt plaats vanuit calciumproducerende toestanden van gevulde spleet; (c) Een exciton gegenereerd op PFB nadert het gedoteerde PFB-materiaal (PFB *), en een gat gaat over naar de toestand van de gevulde spleet, waardoor een energieker elektron wordt geproduceerd; (d) Elektronenoverdracht van een exciton gegenereerd op F8BT naar ofwel de PFB laagste onbezette moleculaire orbitaal (LUMO) met hogere energie of de gevulde PFB * LUMO met lagere energie wordt belemmerd.

NP-OPV-apparaten vervaardigd uit in water gedispergeerde P3HT: PCBM-nanodeeltjes die een stroomconversie-efficiëntie (PCE's) van 1,30% vertoonden en een maximale externe kwantumefficiëntie (EQE) van 35%. In tegenstelling tot het PFB:F8BT NPOPV-systeem waren de P3HT:PCBM NPOPV-apparaten echter minder efficiënt dan hun bulk heterojunctie-tegenhangers. Scanning-transmissie-röntgenmicroscopie (STXM) onthulde dat de actieve laag een zeer gestructureerde NP-morfologie behoudt en kern-schil NP's omvat bestaande uit een relatief zuivere PCBM-kern en een gemengde P3HT: PCBM-schaal (volgende afbeelding). Bij uitgloeien ondergaan deze NPOPV-apparaten echter uitgebreide fasescheiding en een overeenkomstige afname van de apparaatprestaties. Dit werk gaf inderdaad een verklaring voor de lagere efficiëntie van de gegloeide P3HT: PCBM OPV-apparaten, aangezien thermische verwerking van de NP-film resulteert in een effectief "over-uitgegloeide" structuur met grove fase-segregatie die optreedt, waardoor de opwekking en transport van lading wordt verstoord.

Stap 7: Samenvatting van de NPOPV-prestaties

Een samenvatting van de prestaties van NPOPV-apparaten die de afgelopen jaren zijn gerapporteerd, is te vinden in:

Tafel. Uit de tabel blijkt duidelijk dat de prestaties van NPOPV-apparaten dramatisch zijn toegenomen, met een stijging van drie ordes van grootte.

Stap 8: Conclusies en toekomstige vooruitzichten

De recente ontwikkeling van op water gebaseerde NPOPV-coatings vertegenwoordigt een paradigmaverschuiving in de ontwikkeling van goedkope OPV-apparaten. Deze benadering biedt tegelijkertijd controle over de morfologie en elimineert de noodzaak voor vluchtige ontvlambare oplosmiddelen bij de productie van apparaten; twee belangrijke uitdagingen van het huidige onderzoek naar OPV-apparaten. De ontwikkeling van een zonneverf op waterbasis biedt inderdaad het verleidelijke vooruitzicht om OPV-apparaten met een groot oppervlak te printen met behulp van een bestaande printfaciliteit. Bovendien wordt steeds meer erkend dat de ontwikkeling van een op water gebaseerd printbaar OPV-systeem zeer voordelig zou zijn en dat de huidige materiaalsystemen op basis van gechloreerde oplosmiddelen niet geschikt zijn voor productie op commerciële schaal. Het werk dat in deze review wordt beschreven, laat zien dat de nieuwe NPOPV-methodologie algemeen toepasbaar is en dat PCE's van NPOPV-apparaten concurrerend kunnen zijn met apparaten die zijn gemaakt van organische oplosmiddelen. Deze onderzoeken laten echter ook zien dat NP's zich vanuit materiaaloogpunt volledig anders gedragen dan polymeermengsels die uit organische oplosmiddelen zijn gesponnen. In feite zijn de NP's een volledig nieuw materiaalsysteem en als zodanig zijn de oude regels voor de fabricage van OPV-apparaten die zijn geleerd voor organische OPV-apparaten niet langer van toepassing. In het geval van NPOPV's op basis van polyfluoreenmengsels resulteert de NP-morfologie in een verdubbeling van de efficiëntie van het apparaat. Voor polymeer:fullereenmengsels (bijv. P3HT:PCBM en P3HT:ICBA) is de morfologievorming in de NP-films echter zeer complex en kunnen andere factoren (zoals kerndiffusie) domineren, wat resulteert in niet-geoptimaliseerde apparaatstructuren en efficiënties. De toekomstvooruitzichten voor deze materialen zijn buitengewoon veelbelovend, waarbij de efficiëntie van het apparaat in minder dan vijf jaar is gestegen van 0,004% naar 4%. De volgende ontwikkelingsfase omvat het begrijpen van de mechanismen die NP-structuur en NP-filmmorfologie bepalen en hoe deze kunnen worden gecontroleerd en geoptimaliseerd. Tot op heden moet het vermogen om de morfologie van OPV-actieve lagen op nanoschaal te beheersen nog worden gerealiseerd. Recent werk toont echter aan dat de toepassing van NP-materialen dit doel kan bereiken.