Sonverf: 8 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:26

'N Spesifieke verf wat direkte elektrisiteit uit die son produseer.

Organiese fotovoltaïese (OPV's) bied 'n enorme potensiaal as goedkoop bedekkings wat elektrisiteit direk uit sonlig kan opwek. Hierdie polimeermengsels kan teen groot snelhede op groot oppervlaktes gedruk word met behulp van rol-tot-rol-verwerkingstegnieke, wat die opwindende visie skep om elke dak en ander geskikte gebouoppervlak met goedkoop fotovoltaïese materiaal te bedek.

Stap 1: Sintese van NP's via die miniemulsieproses

Die vervaardigingsmetode van nanodeeltjies gebruik ultraklank -energie wat via 'n ultraklankhoring in die reaksiemengsel ingebring word om 'n mini -emulsie te genereer (Figuur hierbo). Die ultraklankhoring maak die vorming van sub-mikrometer druppels moontlik deur hoë skuifkrag uit te oefen. 'N Vloeibare, waterige oppervlakteagtige fase (polêr) bevat, word gekombineer met 'n organiese fase van polimeer opgelos in chloroform (nie-polêr) om 'n makro-emulsie te genereer en dan met 'n ultraklank te vorm om 'n mini-emulsie te vorm. Die polimeer chloroform druppels vorm die verspreide fase met 'n waterige deurlopende fase. Dit is 'n wysiging van die gewone metode vir die opwekking van polimeer nanodeeltjies waar die verspreide fase vloeibare monomeer was.

Onmiddellik na mini -emulgering word die oplosmiddel deur verdamping uit die verspreide druppels verwyder, wat polimeer nanodeeltjies agterlaat. Die finale nanodeeltjie -grootte kan gewissel word deur die aanvanklike konsentrasie van die oppervlakteaktiewe stof in die waterfase te verander.

Stap 2: Sintese van NP's via neerslagmetodes

As 'n alternatief vir die mini -emulsie -benadering bied neerslagtegnieke 'n eenvoudige weg na die vervaardiging van halfgeleidende polimeer nanodeeltjies deur die inspuiting van 'n oplossing van aktiewe materiaal in 'n tweede oplosmiddel met 'n swak oplosbaarheid.

As sodanig is die sintese vinnig, gebruik geen oppervlakteaktiewe stof nie, is dit nie nodig om die nanodeeltjies in die nanodeeltjie-sintese-fase te verhit (en dus nie vooraf te verhard nie) en kan dit maklik opgeskaal word vir die grootskaalse sintese van materiaal. Oor die algemeen is getoon dat die dispersies 'n laer stabiliteit het en 'n samestellingsverandering vertoon by staan as gevolg van voorkeur neerslag van deeltjies van verskillende samestelling. Die neerslagbenadering bied egter die geleentheid om die nanopartikelsintese in te sluit as deel van 'n aktiewe drukproses, met deeltjies wat gegenereer word soos en wanneer dit nodig is. Verder het Hirsch et al. het getoon dat deur opeenvolgende verplasing van oplosmiddels, dit moontlik is om omgekeerde kerndopdeeltjies te sintetiseer waar die strukturele rangskikking teenstrydig is met die inherente oppervlak-energie van die materiale.

Stap 3: Die PFB: F8BT Nanopartikulêre organiese fotovoltaïese (NPOPV) materiaalstelsel

Vroeë metings van die kragomskakelingsdoeltreffendheid van PFB: F8BT -nanodeeltjie -toestelle onder sonligverligting het toestelle gerapporteer met 'n Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 en Voc = 1.38 V, wat (met die beste raming ongevoerde vulfaktor (VF)) van 0,28 van grootmengapparate) kom ooreen met 'n PCE van 0,004%.

Die enigste ander fotovoltaïese metings van PFB: F8BT nanopartikel toestelle was eksterne kwantumdoeltreffendheid (EQE) erwe. Multilaagse fotovoltaïese toestelle vervaardig uit PFB: F8BT -nanodeeltjies, wat die hoogste doeltreffendheid van die omskakeling van krag vir hierdie polyfluoreen -nanodeeltjie -materiale toon.

Hierdie verhoogde prestasie is bereik deur die beheer van die oppervlak-energie van die individuele komponente in die polimeer nanodeeltjie en die na-afsetting verwerking van die polimeer nanodeeltjie lae. Dit is opmerklik dat hierdie werk getoon het dat die vervaardigde nanopartikulêre organiese fotovoltaïese (NPOPV) toestelle meer doeltreffend was as die standaard versnit toestelle (Figuur later).

Stap 4: Figuur

Vergelyking van die elektriese eienskappe van nanopartikels en grootmaat heterojunksie -toestelle. (a) Variasie van stroomdigtheid teenoor spanning vir 'n vyf-laags PFB: F8BT (poly (9, 9-dioctylfluorene-co-N, N'-bis (4-butylphenyl) -N, N'-difenyl-1, 4-fenyleendiamien) (PFB); poli (9, 9-dioktielfluoreen-ko-bensotiadiasool (F8BT)) nanodeeltjie (gevulde sirkels) en 'n grootmaat hetero-verbinding (oop sirkels); b) Variasie van eksterne kwantumdoeltreffendheid (EQE) vs. golflengte vir 'n vyflaagse PFB: F8BT nanodeeltjie (gevulde sirkels) en 'n groot heterokonjunksie (oop sirkels) toestel.

Die effek van Ca- en Al -katodes (twee van die algemeenste elektrodemateriaal) in OPV -toestelle gebaseer op polyfluoreenmengsel waterige polimeer nanodeeltjie (NP) dispersies. Hulle het getoon dat PFB: F8BT NPOPV toestelle met Al en Ca/Al katodes kwalitatief baie soortgelyke gedrag vertoon, met 'n piek PCE van ~ 0.4% vir Al en ~ 0.8% vir Ca/Al, en dat daar 'n duidelike geoptimaliseerde dikte vir die NP -toestelle (volgende figuur). Die optimale dikte is 'n gevolg van die mededingende fisiese effekte van die herstel en vulling van defekte vir dun films [32, 33] en die ontwikkeling van spanningsbreking in dik films.

Die optimale laagdikte in hierdie toestelle stem ooreen met die kritiese krakingsdikte (CCT) waarbo spanningskrapping voorkom, wat lei tot 'n lae shuntweerstand en 'n vermindering in toestelprestasie.

Stap 5: Figuur

Variasie van kragomskakelingsdoeltreffendheid (PCE) met die aantal neergelegde lae vir PFB: F8BT nanopartikulêre organiese fotovoltaïese (NPOPV) toestelle vervaardig met 'n Al -katode (gevulde sirkels) en 'n Ca/Al -katode (oop sirkels). Stippel- en stippellyne is bygevoeg om die oog te lei. 'N Gemiddelde fout is bepaal op grond van die afwyking van ten minste tien toestelle vir elke aantal lae.

Dus, F8BT -toestelle verbeter die exciton -dissosiasie relatief tot die ooreenstemmende BHJ -struktuur. Boonop lei die gebruik van 'n Ca/Al -katode tot die skep van grensvlak gapings (Figuur later), wat die rekombinasie van ladings wat deur die PFB in hierdie toestelle opgewek word, verminder en die oopkringspanning herstel tot die vlak wat verkry word vir 'n geoptimaliseerde BHJ -toestel, wat lei tot 'n PCE wat 1%nader.

Stap 6: Figuur

Energievlakdiagramme vir PFB: F8BT -nanodeeltjies in die teenwoordigheid van kalsium. (a) kalsium versprei deur die oppervlak van die nanodeeltjie; (b) Kalsium verdamp die PFB-ryk dop en produseer gapings. Elektronoordrag vind plaas uit kalsiumproduserende gevulde gapings; (c) 'n Exciton wat op PFB gegenereer word, nader die gedoteerde PFB -materiaal (PFB*), en 'n gat gaan oor na die gevulde gapingstoestand, wat 'n meer energieke elektron produseer; (d) Elektronoordrag vanaf 'n eksiton wat op F8BT gegenereer word na óf die hoër energie PFB laagste onbesette molekulêre orbitaal (LUMO) óf die gevulde laer energie PFB* LUMO word belemmer.

NP-OPV-toestelle vervaardig uit waterdispergeerde P3HT: PCBM-nanodeeltjies wat kragomskakelingsdoeltreffendheid (PCE's) van 1,30% en maksimum eksterne kwantumdoeltreffendheid (EQE) van 35% vertoon. Anders as die PFB: F8BT NPOPV -stelsel, was die P3HT: PCBM NPOPV -toestelle egter minder doeltreffend as hul grootmaat heterojunksie -eweknieë. Skandering-oordrag-röntgenmikroskopie (STXM) het aan die lig gebring dat die aktiewe laag 'n hoogs gestruktureerde NP-morfologie behou en kern-dop-NP's bevat wat bestaan uit 'n relatief suiwer PCBM-kern en 'n gemengde P3HT: PCBM-dop (volgende figuur). By uitgloeiing ondergaan hierdie NPOPV -toestelle egter uitgebreide faseskeiding en 'n ooreenstemmende afname in toestelprestasie. Hierdie werk het inderdaad 'n verklaring gegee vir die laer doeltreffendheid van die uitgegloeide P3HT: PCBM OPV-toestelle, aangesien termiese verwerking van die NP-film lei tot 'n effektief "oorverharde" struktuur met bruto fasesegregasie, wat die opwekking en vervoer van ladings ontwrig.

Stap 7: Opsomming van NPOPV -prestasie

'N Opsomming van die prestasie van NPOPV -toestelle wat die afgelope paar jaar gerapporteer is, word aangebied in

Tabel. Dit is duidelik uit die tabel dat die prestasie van NPOPV -toestelle dramaties toegeneem het, met 'n styging van drie ordes.

Stap 8: Gevolgtrekkings en toekomstige vooruitsigte

Die onlangse ontwikkeling van op water gebaseerde NPOPV-bedekkings verteenwoordig 'n paradigmaverskuiwing in die ontwikkeling van goedkoop OPV-toestelle. Hierdie benadering bied terselfdertyd beheer oor morfologie en elimineer die behoefte aan vlugtige vlambare oplosmiddels in die produksie van toestelle; twee belangrike uitdagings van die huidige OPV -apparaatnavorsing. Die ontwikkeling van 'n watergebaseerde sonverf bied inderdaad die opwindende vooruitsig om OPV-toestelle met 'n groot oppervlakte met enige bestaande drukfasiliteit te druk. Boonop word daar toenemend erken dat die ontwikkeling van 'n op water gebaseerde drukbare OPV-stelsel baie voordelig sou wees en dat die huidige materiaalstelsels gebaseer op gechloreerde oplosmiddels nie geskik is vir kommersiële produksie nie. Die werk wat in hierdie oorsig beskryf word, toon aan dat die nuwe NPOPV -metodiek in die algemeen van toepassing is en dat NPOPV -toestel -PCE's mededingend kan wees met toestelle wat uit organiese oplosmiddels gebou is. Hierdie studies toon egter ook aan dat NP's vanuit 'n materiële oogpunt heeltemal anders optree as polimeermengsels wat uit organiese oplosmiddels gespin word. Die NP's is effektief 'n heeltemal nuwe materiaalsisteem, en as sodanig geld die ou reëls vir die vervaardiging van OPV-toestelle wat vir organiese OPV-toestelle geleer is, nie meer nie. In die geval van NPOPV's gebaseer op polyfluoreenmengsels, lei die NP -morfologie tot 'n verdubbeling van die apparaatdoeltreffendheid. Vir polimeer: fulleren -mengsels (bv. P3HT: PCBM en P3HT: ICBA) is die vorming van morfologie in die NP -films baie kompleks, en ander faktore (soos kernverspreiding) kan oorheers, wat lei tot onoptimale apparaatstrukture en doeltreffendheid. Die toekomsvooruitsigte vir hierdie materiaal is uiters belowend, met die doeltreffendheid van toestelle in minder as vyf jaar van 0,004% tot 4%. Die volgende ontwikkelingsfase behels die begrip van die meganismes wat NP -struktuur en NP -filmmorfologie bepaal en hoe dit beheer en geoptimaliseer kan word. Tot dusver moet die vermoë om die morfologie van OPV -aktiewe lae op die nanoskaal te beheer, nog nie besef word nie. Onlangse werk toon egter aan dat die toepassing van NP -materiale hierdie doel kan bereik.