Солнечная краска: 8 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Особая краска, вырабатывающая прямое электричество от солнечного света.

Органические фотоэлектрические элементы (OPV) обладают огромным потенциалом в качестве недорогих покрытий, способных вырабатывать электричество непосредственно из солнечного света. Эти материалы из смеси полимеров могут быть напечатаны на высоких скоростях на больших площадях с использованием методов обработки рулонов, создавая заманчивую идею покрытия каждой крыши и другой подходящей поверхности здания недорогой фотогальваникой.

Этап 1. Синтез наночастиц с помощью процесса миниэмульсии

В методе изготовления наночастиц используется энергия ультразвука, доставляемая через ультразвуковой рупор, вставленный в реакционную смесь, для создания миниэмульсии (рисунок выше). Ультразвуковой рупор делает возможным образование капель размером менее микрометра за счет приложения большой силы сдвига. Жидкая водная фаза, содержащая поверхностно-активное вещество (полярная), объединяется с органической фазой полимера, растворенного в хлороформе (неполярном), с образованием макроэмульсии, затем обрабатывается ультразвуком для образования миниэмульсии. Капли полимерного хлороформа составляют дисперсную фазу с водной непрерывной фазой. Это модификация обычного метода получения полимерных наночастиц, в котором дисперсная фаза представляет собой жидкий мономер.

Сразу после миниэмульсификации растворитель удаляется из диспергированных капель испарением, оставляя полимерные наночастицы. Конечный размер наночастиц можно варьировать, изменяя исходную концентрацию поверхностно-активного вещества в водной фазе.

Шаг 2: Синтез наночастиц методами осаждения

В качестве альтернативы подходу миниэмульсии методы осаждения предлагают простой способ получения наночастиц полупроводникового полимера путем инъекции раствора активного материала во второй растворитель с низкой растворимостью.

Таким образом, синтез является быстрым, не требует использования поверхностно-активного вещества, не требует нагрева (и, следовательно, предварительного отжига наночастиц) на этапе синтеза наночастиц, и его можно легко масштабировать для крупномасштабного синтеза материала. В общем, было показано, что дисперсии имеют более низкую стабильность и проявляют изменение состава при стоянии из-за преимущественного осаждения частиц разного состава. Однако подход осаждения действительно предлагает возможность включения синтеза наночастиц как части активного процесса печати, при этом частицы генерируются по мере необходимости. Кроме того, Hirsch et al. показали, что путем последовательного вытеснения растворителя можно синтезировать перевернутые частицы ядро-оболочка, структурное расположение которых противоречит внутренним поверхностным энергиям материалов.

Шаг 3. PFB: F8BT Система органических фотоэлектрических материалов с наночастицами (NPOPV)

Ранние измерения эффективности преобразования мощности устройств с наночастицами PFB: F8BT при солнечном освещении сообщили об устройствах с Jsc = 1 × 10 −5 А · см ^ −2 и Voc = 1,38 В, что (при условии наилучшей оценки неотожженного фактора заполнения (FF) 0,28 от устройств для массового смешивания) соответствует РПЭ 0,004%.

Единственными другими фотоэлектрическими измерениями устройств на основе наночастиц PFB: F8BT были графики внешней квантовой эффективности (EQE). Многослойные фотоэлектрические устройства, изготовленные из наночастиц PFB: F8BT, продемонстрировали наивысшую эффективность преобразования энергии, наблюдаемую для этих материалов полифлуореновых наночастиц.

Эта повышенная производительность была достигнута за счет контроля поверхностной энергии отдельных компонентов в полимерной наночастице и обработки слоев полимерных наночастиц после осаждения. Примечательно, что эта работа показала, что изготовленные органические фотоэлектрические устройства на основе наночастиц (NPOPV) были более эффективными, чем стандартные устройства для смешивания (рисунок ниже).

Шаг 4: Рисунок

Сравнение электрических характеристик устройств на основе наночастиц и объемных гетеропереходов. (а) Изменение плотности тока в зависимости от напряжения для пятислойного PFB: F8BT (поли (9, 9-диоктилфлуорен-со-N, N'-бис (4-бутилфенил) -N, N'-дифенил-1, 4-фенилендиамин) (PFB); поли (9,9-диоктилфлуорен-кобензотиадиазол (F8BT)) наночастицы (темные кружки) и устройство с объемным гетеропереходом (белые кружки); (b) изменение внешней квантовой эффективности (EQE) по сравнению с • длина волны для пятислойного устройства с наночастицами PFB: F8BT (темные кружки) и объемного гетероперехода (белые кружки). Также показан (пунктирная линия) график EQE для пленочного устройства с наночастицами.

Влияние катодов из Ca и Al (двух наиболее распространенных электродных материалов) в устройствах OPV на основе водных дисперсий полимерных наночастиц (НЧ) смеси полифлуоренов. Они показали, что устройства PFB: F8BT NPOPV с катодами из Al и Ca / Al демонстрируют качественно очень похожее поведение с пиковым PCE ~ 0,4% для Al и ~ 0,8% для Ca / Al, и что существует отчетливая оптимизированная толщина для Устройства NP (следующий рисунок). Оптимальная толщина является следствием конкурирующих физических эффектов ремонта и заполнения дефектов для тонких пленок [32, 33] и развития растрескивания под напряжением в толстых пленках.

Оптимальная толщина слоя в этих устройствах соответствует критической толщине растрескивания (CCT), выше которой происходит растрескивание под напряжением, что приводит к низкому шунтирующему сопротивлению и снижению производительности устройства.

Шаг 5: Рисунок

Изменение эффективности преобразования мощности (PCE) в зависимости от количества нанесенных слоев для устройств PFB: F8BT с наночастицами органических фотоэлектрических элементов (NPOPV), изготовленных с катодом из Al (темные кружки) и катодом из Ca / Al (белые кружки). Пунктирные и пунктирные линии были добавлены для направления взгляда. Средняя ошибка была определена на основе отклонения как минимум для десяти устройств для каждого количества уровней.

Итак, устройства F8BT усиливают диссоциацию экситонов по сравнению с соответствующей структурой BHJ. Более того, использование катода Ca / Al приводит к созданию состояний межфазного зазора (рисунок ниже), которые уменьшают рекомбинацию зарядов, генерируемых PFB в этих устройствах, и восстанавливают напряжение холостого хода до уровня, полученного для оптимизированного устройства BHJ., в результате чего PCE приближается к 1%.

Шаг 6: Рисунок

Диаграммы уровней энергии наночастиц PFB: F8BT в присутствии кальция. (а) Кальций диффундирует через поверхность наночастиц; (b) Кальций легирует оболочку, богатую ПФБ, создавая щелевые состояния. Перенос электрона происходит из состояний с заполненными промежутками, которые образуют кальций; (c) Экситон, генерируемый на PFB, приближается к легированному материалу PFB (PFB *), и дырка переходит в состояние с заполненной щелью, производя более энергичный электрон; (d) Перенос электрона от экситона, сгенерированного на F8BT, либо на PFB с более высокой энергией, на низшую незанятую молекулярную орбиталь (LUMO), либо на заполненную PFB * LUMO с более низкой энергией затруднен.

Устройства NP-OPV, изготовленные из вододисперсных наночастиц P3HT: PCBM, которые показали эффективность преобразования энергии (PCE) 1,30% и пиковую внешнюю квантовую эффективность (EQE) 35%. Однако, в отличие от системы PFB: F8BT NPOPV, устройства P3HT: PCBM NPOPV были менее эффективны, чем их аналоги с объемным гетеропереходом. Сканирующая просвечивающая рентгеновская микроскопия (STXM) показала, что активный слой сохраняет высокоструктурированную морфологию NP и включает NP ядра-оболочку, состоящие из относительно чистого ядра PCBM и смешанной оболочки P3HT: PCBM (следующий рисунок). Однако после отжига эти устройства NPOPV претерпевают обширную фазовую сегрегацию и соответствующее снижение производительности устройства. Действительно, эта работа дала объяснение более низкой эффективности отожженных устройств P3HT: PCBM OPV, поскольку термическая обработка пленки NP приводит к эффективно «отожженной» структуре с большой фазовой сегрегацией, что нарушает генерацию и перенос заряда.

Шаг 7: Обзор эффективности NPOPV

Сводная информация о характеристиках устройств NPOPV, о которых сообщалось за последние несколько лет, представлена в

Стол. Из таблицы видно, что производительность устройств NPOPV резко возросла, увеличившись на три порядка.

Шаг 8: выводы и перспективы на будущее

Недавняя разработка покрытий NPOPV на водной основе представляет собой смену парадигмы в разработке недорогих устройств OPV. Этот подход одновременно обеспечивает контроль морфологии и устраняет необходимость в летучих легковоспламеняющихся растворителях при производстве устройств; две ключевые проблемы текущих исследований устройств OPV. Действительно, разработка солнечной краски на водной основе открывает заманчивую перспективу печати устройств OPV большой площади с использованием любого существующего полиграфического оборудования. Более того, становится все более очевидным, что разработка системы OPV для печати на водной основе будет очень выгодной и что существующие системы материалов на основе хлорированных растворителей не подходят для производства в промышленных масштабах. Работа, описанная в этом обзоре, показывает, что новая методология NPOPV в целом применима и что PCE устройств NPOPV могут конкурировать с устройствами, созданными из органических растворителей. Однако эти исследования также показывают, что с точки зрения материалов НЧ ведут себя совершенно иначе, чем смеси полимеров, полученные из органических растворителей. Фактически, NP представляют собой совершенно новую материальную систему, и поэтому старые правила изготовления устройств OPV, которые были изучены для устройств OPV на органической основе, больше не применяются. В случае NPOPV на основе смесей полифлуоренов морфология NP приводит к удвоению эффективности устройства. Однако для смесей полимер: фуллерен (например, P3HT: PCBM и P3HT: ICBA) формирование морфологии в пленках NP очень сложно, и другие факторы (такие как диффузия ядра) могут доминировать, что приводит к неоптимизированным структурам устройства и эффективности. Перспективы использования этих материалов в будущем чрезвычайно многообещающие: менее чем за пять лет эффективность устройств увеличилась с 0,004% до 4%. Следующий этап разработки будет включать понимание механизмов, которые определяют структуру NP и морфологию пленки NP, а также то, как ими можно управлять и оптимизировать. На сегодняшний день возможность контролировать морфологию активных слоев OPV в наномасштабе еще не реализована. Однако недавняя работа показывает, что применение материалов NP может позволить достичь этой цели.