Vopsea solară: 8 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:44

O vopsea specială care produce electricitate directă din lumina soarelui.

Fotovoltaica organică (OPV) oferă un potențial enorm ca acoperiri ieftine capabile să genereze electricitate direct din lumina soarelui. Aceste materiale de amestec de polimeri pot fi imprimate la viteze mari pe suprafețe mari folosind tehnici de procesare roll-to-roll, creând o viziune atrăgătoare a acoperirii fiecărui acoperiș și a altor suprafețe de construcție adecvate cu fotovoltaice ieftine.

Pasul 1: Sinteza NP-urilor prin intermediul procesului de miniemulsie

Metoda de fabricare a nanoparticulelor utilizează energia cu ultrasunete livrată printr-un corn cu ultrasunete introdus în amestecul de reacție pentru a genera o miniemulsie (Figura de mai sus). Claxonul cu ultrasunete face posibilă formarea de picături sub-micrometrice prin aplicarea unei forțe de forfecare ridicate. O fază apoasă lichidă care conține surfactant (polar) este combinată cu o fază organică de polimer dizolvat în cloroform (nepolar) pentru a genera o macroemulsie, apoi ultrasunetată pentru a forma o miniemulsie. Picăturile de polimer cloroform constituie faza dispersată cu o fază continuă apoasă. Aceasta este o modificare a metodei obișnuite pentru generarea nanoparticulelor de polimer în care faza dispersată a fost monomer lichid.

Imediat după miniemulsificare, solventul este îndepărtat din picăturile dispersate prin evaporare, lăsând nanoparticule de polimer. Dimensiunea finală a nanoparticulelor poate fi variată prin modificarea concentrației inițiale de surfactant în faza apoasă.

Pasul 2: Sinteza NP prin metode de precipitare

Ca alternativă la abordarea miniemulsiei, tehnicile de precipitare oferă o cale simplă către producerea de nanoparticule de polimer semiconductor prin injectarea unei soluții de material activ într-un al doilea solvent de solubilitate slabă.

Ca atare, sinteza este rapidă, nu folosește agent tensioactiv, nu necesită încălzire (și, prin urmare, nici o recoacere prefabricată a nanoparticulelor) în faza de sinteză a nanoparticulelor și poate fi ușor mărită pentru sinteza pe scară largă a materialului. În general, dispersiile s-au dovedit a avea o stabilitate mai scăzută și prezintă o schimbare compozițională la stând din cauza precipitării preferențiale a particulelor cu compoziție diferită. Cu toate acestea, abordarea precipitațiilor oferă posibilitatea de a include sinteza nanoparticulelor ca parte a unui proces de imprimare activă, particulele fiind generate atunci când este necesar. Mai mult, Hirsch și colab. au arătat că, prin deplasarea succesivă a solventului, este posibilă sintetizarea particulelor de miez-carcasă inversate în care aranjamentul structural este contrar energiilor inerente de suprafață ale materialelor.

Pasul 3: Sistemul de materiale PFB: F8BT Nanoparticulate Organice Fotovoltaice Organice (NPOPV)

Măsurătorile timpurii ale eficienței de conversie a puterii PFB: Dispozitivele de nanoparticule F8BT sub iluminare solară au raportat dispozitive cu un Jsc = 1 × 10 −5 A cm ^ −2 și Voc = 1,38 V, care (presupunând cel mai bun factor de umplere neacoperit (FF) de 0,28 de la dispozitive de amestecare în vrac) corespunde unui PCE de 0,004%.

Singurele alte măsurători fotovoltaice ale dispozitivelor de nanoparticule PFB: F8BT au fost graficele cu eficiență cuantică externă (EQE). Dispozitive fotovoltaice multistratificate fabricate din nanoparticule PFB: F8BT, care au demonstrat cele mai mari eficiențe de conversie a puterii observate pentru aceste materiale de nanoparticule polifluorene.

Această performanță crescută a fost realizată prin controlul energiilor de suprafață ale componentelor individuale din nanoparticulele de polimer și procesarea post-depunere a straturilor de nanoparticule de polimer. În mod semnificativ, această lucrare a arătat că dispozitivele fotovoltaice organice nanoparticulate fabricate (NPOPV) au fost mai eficiente decât dispozitivele standard de amestecare (Figura ulterioară).

Pasul 4: Figura

Comparația caracteristicilor electrice ale nanoparticulelor și dispozitivelor de heterojuncție în vrac. (a) Variația densității de curent față de tensiune pentru un PFB cu cinci straturi: F8BT (poli (9, 9-dioctilfluoren-co-N, N'-bis (4-butilfenil) -N, N'-difenil-1, 4-fenilendiamina) (PFB); poli (9, 9-dioctilfluoren-co-benzotiadiazol (F8BT)) nanoparticulat (cercuri umplute) și un dispozitiv de heterojuncție în masă (cercuri deschise); (b) Variația eficienței cuantice externe (EQE) vs. lungimea de undă pentru un PFB cu cinci straturi: nanoparticulate F8BT (cercuri umplute) și un dispozitiv de heterojuncție în masă (cercuri deschise).

Efectul catodilor de Ca și Al (două dintre cele mai frecvente materiale ale electrodului) în dispozitivele OPV bazate pe dispersii de nanoparticule de polimeri apoși polimerici (NP). Au arătat că dispozitivele PFB: F8BT NPOPV cu catod Al și Ca / Al prezintă un comportament calitativ foarte similar, cu un PCE de vârf de ~ 0,4% pentru Al și ~ 0,8% pentru Ca / Al și că există o grosime distinctă optimizată pentru Dispozitive NP (Figura următoare). Grosimea optimă este o consecință a efectelor fizice concurente ale reparării și umplerii defectelor pentru peliculele subțiri [32, 33] și a dezvoltării fisurilor de stres în filmele groase.

Grosimea optimă a stratului în aceste dispozitive corespunde grosimii critice de fisurare (CCT) peste care are loc fisurarea prin stres, rezultând o rezistență scăzută la șunt și o reducere a performanței dispozitivului.

Pasul 5: Figura

Variația eficienței de conversie a puterii (PCE) cu numărul de straturi depuse pentru dispozitivele PFB: F8BT nanoparticulate organice fotovoltaice (NPOPV) fabricate cu un catod Al (cercuri umplute) și un catod Ca / Al (cercuri deschise). Au fost adăugate linii punctate și punctate pentru a ghida ochiul. O eroare medie a fost determinată pe baza varianței pentru cel puțin zece dispozitive pentru fiecare număr de straturi.

Deci, dispozitivele F8BT îmbunătățesc disocierea excitonului în raport cu structura BHJ corespunzătoare. Mai mult decât atât, utilizarea unui catod Ca / Al are ca rezultat crearea unor stări de spațiu interfacial (Figura ulterioară), care reduc recombinarea sarcinilor generate de PFB în aceste dispozitive și restabilește tensiunea circuitului deschis la nivelul obținut pentru un dispozitiv BHJ optimizat., rezultând un PCE care se apropie de 1%.

Pasul 6: Figura

Diagramele nivelului de energie pentru nanoparticulele PFB: F8BT în prezența calciului. (a) Calciul difuzează prin suprafața nanoparticulelor; (b) Calciul dopează învelișul bogat în PFB, producând stări gap. Transferul de electroni are loc din stările de spațiu umplut care produc calciu; (c) Un exciton generat pe PFB se apropie de materialul PFB dopat (PFB *) și o gaură se transferă în starea de spațiu umplut, producând un electron mai energic; (d) Transferul de electroni dintr-un exciton generat pe F8BT fie la energia superioară PFB cea mai mică orbitală moleculară neocupată (LUMO), fie la energia inferioară umplută PFB * LUMO este împiedicată.

Dispozitive NP-OPV fabricate din P3HT dispersate în apă: nanoparticule PCBM care au prezentat eficiențe de conversie a puterii (PCE) de 1,30% și eficiențe cuantice de vârf externe (EQE) de 35%. Cu toate acestea, spre deosebire de sistemul PFB: F8BT NPOPV, dispozitivele P3HT: PCBM NPOPV au fost mai puțin eficiente decât omologii lor de heterojuncție în vrac. Microscopia cu raze X de transmisie prin scanare (STXM) a relevat că stratul activ păstrează o morfologie NP foarte structurată și cuprinde NP-uri cu miez de bază care constau dintr-un miez PCBM relativ pur și un amestec P3HT: PCBM amestecat (figura următoare). Cu toate acestea, la recoacere, aceste dispozitive NPOPV suferă o segregare de fază extinsă și o scădere corespunzătoare a performanței dispozitivului. Într-adevăr, această lucrare a oferit o explicație pentru eficiența mai scăzută a dispozitivelor OP3 P3HT: PCBM recocite, deoarece prelucrarea termică a filmului NP are ca rezultat o structură efectiv „supra-recocită” cu segregare de fază brută, perturbând astfel generarea și transportul încărcăturii.

Pasul 7: Rezumatul performanței NPOPV

Un rezumat al performanței dispozitivelor NPOPV raportat în ultimii ani este prezentat în

Masa. Din tabel este clar că performanța dispozitivelor NPOPV a crescut dramatic, cu o creștere de trei ordine de mărime.

Pasul 8: Concluzii și perspective viitoare

Dezvoltarea recentă a acoperirilor NPOPV pe bază de apă reprezintă o schimbare de paradigmă în dezvoltarea dispozitivelor OPV cu costuri reduse. Această abordare oferă simultan controlul morfologiei și elimină necesitatea de solvenți inflamabili volatili în producția dispozitivelor; două provocări cheie ale cercetării actuale a dispozitivelor OPV. Într-adevăr, dezvoltarea unei vopsele solare pe bază de apă oferă perspectiva tentantă de a imprima dispozitive OPV de suprafață mare utilizând orice instalație de imprimare existentă. Mai mult, este din ce în ce mai recunoscut că dezvoltarea unui sistem OPV imprimabil pe bază de apă ar fi extrem de avantajos și că sistemele actuale de materiale bazate pe solvenți clorurați nu sunt potrivite pentru producția la scară comercială. Lucrările descrise în această revizuire arată că noua metodologie NPOPV este în general aplicabilă și că dispozitivele PCE NPOPV pot fi competitive cu dispozitivele construite din solvenți organici. Cu toate acestea, aceste studii relevă, de asemenea, că, din punct de vedere al materialelor, NP-urile se comportă complet diferit de amestecurile de polimeri filate din solvenți organici. Efectiv, NP-urile sunt un sistem material complet nou și, ca atare, vechile reguli pentru fabricarea dispozitivelor OPV care au fost învățate pentru dispozitivele OPV pe bază de organice nu se mai aplică. În cazul NPOPV-urilor bazate pe amestecuri de polifluoreni, morfologia NP are ca rezultat o dublare a eficienței dispozitivului. Cu toate acestea, pentru amestecurile de polimer: fulleren (de exemplu, P3HT: PCBM și P3HT: ICBA), formarea morfologică în filmele NP este extrem de complexă, iar alți factori (cum ar fi difuzia miezului) pot domina, rezultând structuri și eficiențe ale dispozitivelor neoptimizate. Perspectivele viitoare pentru aceste materiale sunt extrem de promițătoare, eficiența dispozitivelor crescând de la 0,004% la 4% în mai puțin de cinci ani. Următoarea etapă de dezvoltare va implica înțelegerea mecanismelor care determină structura NP și morfologia filmului NP și modul în care acestea pot fi controlate și optimizate. Până în prezent, abilitatea de a controla morfologia straturilor active OPV pe nano-scară nu a fost încă realizată. Cu toate acestea, lucrările recente demonstrează că aplicarea materialelor NP poate permite atingerea acestui obiectiv.