Нарны будаг: 8 алхам

2024 Зохиолч: John Day | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-30 11:03

Нарны гэрлээс шууд цахилгаан үйлдвэрлэдэг тусгай будаг.

Органик фотоволтайк (OPVs) нь нарны шууд тусгалаас цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх чадвартай, хямд төсөр бүрэх тул асар их боломжийг санал болгодог. Эдгээр полимер хольц материалыг өнхрүүлэн өнхрүүлэх технологийг ашиглан том талбайд өндөр хурдтайгаар хэвлэх боломжтой бөгөөд ингэснээр дээвэр бүр болон бусад тохиромжтой барилгын гадаргууг хямд фотоволтайкаар бүрэх гайхалтай дүр төрхийг бий болгодог.

Алхам 1: Миниэмульсийн процессын тусламжтайгаар БЦГ -ийн синтез

Нан ширхэгийг үйлдвэрлэх арга нь хэт авиан эвэр ашиглан урвалын хольцонд оруулсан хэт авиан энергийг ашиглан миниэмульсия үүсгэдэг (дээрх зураг). Хэт авианы эвэр нь өндөр зүсэлтийн хүчийг ашигласнаар дэд микрометрийн дусал үүсэх боломжийг олгодог. Шингэн усан гадаргуугийн идэвхт бодис агуулсан фаз (туйлт) нь хлороформд (туйлын бус) ууссан полимерийн органик фазтай хослуулан макроэмульсия үүсгэж улмаар хэт авианы тусламжтайгаар миниэмульсия үүсгэдэг. Полимер хлороформ дусал нь усан тасралтгүй фазтай тархсан үеийг бүрдүүлдэг. Энэ бол тархай бутархай үе нь шингэн мономер байсан полимер нано хэсгүүд үүсгэх ердийн аргын өөрчлөлт юм.

Миниэмульсжүүлсний дараа уусгагчийг ууршуулах замаар тарсан дусалаас гаргаж аваад полимер нанобөөж үлдээдэг. Усан үе дэх гадаргуугийн идэвхит бодисын анхны концентрацийг өөрчилснөөр нано бөөмийн эцсийн хэмжээг өөрчилж болно.

Алхам 2: Хур тунадасны аргаар БЦГ -ийг нэгтгэх

Бяцхан эмульсийн өөр нэг хувилбар болох хур тунадасны техник нь уусах чадвар багатай хоёр дахь уусгагч руу идэвхтэй материалын уусмал оруулах замаар хагас дамжуулагч полимер нано бөөмийг үйлдвэрлэх энгийн замыг санал болгодог.

Тиймээс синтез нь хурдан бөгөөд гадаргуугийн идэвхит бодис хэрэглэдэггүй, нано бөөмийн нийлэгжилтийн үе шатанд халаалт шаарддаггүй (иймээс нано бөөмийг урьдчилан угсрах шаардлагагүй) тул материалын том хэмжээний синтез хийхэд хялбар болно. Ерөнхийдөө дисперс нь тогтвортой байдал багатай, өөр өөр найрлагатай тоосонцорыг хур тунадасны улмаас зогсоход найрлагын өөрчлөлтийг харуулдаг. Гэсэн хэдий ч хур тунадасны хандлага нь нано бөөмийн синтезийг идэвхтэй хэвлэх үйл явцын нэг хэсэг болгож, шаардлагатай үед тоосонцор үүсгэх боломжийг олгодог. Цаашилбал, Хирш нар. уусгагчийн ээлж дараалсан нүүлгэн шилжүүлэлтийн үр дүнд бүтцийн зохион байгуулалт нь материалын гадаргуугийн энергитэй зөрчилдөж буй урвуу үндсэн бүрхүүлийн тоосонцорыг нэгтгэх боломжтой болохыг харуулсан.

Алхам 3: PFB: F8BT органик фотоволтайк (NPOPV) материалын систем

PFB -ийн цахилгаан хувиргах үр ашгийн эрт хэмжилтүүд: Нарны гэрлийн дор ажилладаг F8BT нано хэсгүүд бүхий төхөөрөмжүүд нь Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 ба Voc = 1.38 В хэмжээтэй төхөөрөмжүүдийг мэдээлсэн бөгөөд энэ нь (цэнэггүй бөглөх коэффициентийг хамгийн сайн тооцоолсон гэж үзнэ). бөөнөөр холих төхөөрөмжөөс авсан 0.28) нь 0.004%-ийн PCE -тэй нийцдэг.

PFB: F8BT нанобөөмийн төхөөрөмжүүдийн бусад фотоэлектрик хэмжилтүүд нь гадны квант үр ашиг (EQE) графикууд байв. PFB: F8BT нано хэсгүүдээс үйлдвэрлэсэн олон давхар фотоэлектрик төхөөрөмжүүд нь эдгээр полифлюорен нано хэсгүүдээс авсан материалын хувьд эрчим хүчний хувиргалтын хамгийн өндөр үр ашгийг харуулсан болно.

Энэхүү сайжруулсан гүйцэтгэл нь полимер нано хэсгүүд дэх бие даасан бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн гадаргуугийн энергийг хянах, полимер нанобөөмийн давхаргыг тунадас хийсний дараа боловсруулах замаар олж авсан. Чухал ач холбогдол бүхий энэхүү ажил нь хиймэл нано хэсгүүдтэй органик фотовольтай (NPOPV) төхөөрөмжүүд нь стандарт хольцтой төхөөрөмжүүдээс илүү үр дүнтэй болохыг харуулав (Хожим зураг).

Алхам 4: Зураг

Нано хэсгүүд ба задгай гетерожункцийн төхөөрөмжүүдийн цахилгаан шинж чанарын харьцуулалт. (a) Таван давхаргын PFB-ийн одоогийн нягт ба хүчдэлийн хэлбэлзэл: F8BT (поли (9, 9-диоктилфторен-ко-Н, Н'-бис (4-бутилфенил) -N, N'-дифенил-1, 4-фенилендиамин) (PFB); поли (9, 9-диоктилфторен-ко-бензотиадиазол (F8BT)) нано-партикуляр (дүүргэсэн тойрог) ба задгай гетеронцент (нээлттэй тойрог) төхөөрөмж; (б) Гадаад квант үр ашгийн өөрчлөлт (EQE). долгионы урт нь таван давхарга бүхий PFB: F8BT нано хэсгүүд (дүүргэсэн тойрог) ба задгай гетеронцент (нээлттэй тойрог) төхөөрөмж. Мөн нано-ширхэгийн хальсны төхөөрөмжийн EQE диаграммыг харуулав (тасархай шугам).

Полифлуорен дээр суурилсан OPV төхөөрөмжид Ca ба Al катодын (хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг электродын хоёр материал) нөлөө нь усан полимер нанобөөмийн (NP) дисперсийг холино. Al болон Ca/Al катодтой PFB: F8BT NPOPV төхөөрөмжүүд нь чанарын хувьд ижил төстэй зан төлөвтэй байдаг бөгөөд PCE -ийн оргил нь Al -ийн хувьд ~ 0.4%, Ca/Al -ийн хувьд ~ 0.8% байдаг ба тэдгээрийн хувьд оновчтой зузаантай байдаг. NP төхөөрөмжүүд (дараагийн зураг). Хамгийн оновчтой зузаан нь нимгэн хальсны согогийг засах, дүүргэх, зузаан хальс дахь стрессийн хагарал үүсэхтэй холбоотой физик нөлөөллийн үр дүн юм.

Эдгээр төхөөрөмжүүдийн давхаргын оновчтой зузаан нь хагарлын чухал зузаантай (CCT) тохирч байгаа бөгөөд үүнээс стресс хагарал үүсч, шунт эсэргүүцэл багатай, төхөөрөмжийн гүйцэтгэл буурдаг.

Алхам 5: Зураг

PFB -д хадгалагдсан давхаргын тоогоор цахилгаан хувиргах үр ашгийн өөрчлөлт (PCE): Аль катод (дүүргэсэн тойрог) ба Ca/Al катод (нээлттэй тойрог) -аар үйлдвэрлэсэн F8BT нано хэсгүүдтэй органик фотовольтай (NPOPV) төхөөрөмжүүд. Нүдийг чиглүүлэхийн тулд тасархай, тасархай шугамыг нэмж оруулав. Давхаргын тоо тус бүрт хамгийн багадаа арван төхөөрөмжийн ялгааг үндэслэн дундаж алдааг тодорхойлсон болно.

Тиймээс F8BT төхөөрөмжүүд нь харгалзах BHJ бүтэцтэй харьцуулахад экситон диссоциацийг сайжруулдаг. Түүгээр ч зогсохгүй Ca/Al катод ашигласнаар интерфейсийн хоорондох ялгаа бий болно (Зураг сүүлд), эдгээр төхөөрөмж дэх PFB -ийн үүсгэсэн цэнэгийн дахин нэгдлийг бууруулж, нээлттэй хэлхээний хүчдэлийг BHJ төхөөрөмжийг оновчтой болгох түвшинд хүргэнэ. Үүний үр дүнд PCE 1%-д хүрч байна.

Алхам 6: Зураг

PFB -ийн энергийн түвшний диаграм: кальцийн агууламжтай F8BT нано хэсгүүд. (а) Кальци нь нанобөөмийн гадаргуугаар тархдаг; (б) Кальци нь PFB-ээр баялаг бүрхүүлийг допинг хийж, ялгаа үүсгэдэг. Электрон дамжуулалт нь кальци үүсгэдэг дүүрсэн цоорхойн төлөвөөс үүсдэг; (в) PFB дээр үүссэн экситон нь допинг хийсэн PFB материалд (PFB*) ойртох ба нүх дүүрсэн завсарт шилжиж, илүү эрч хүчтэй электроныг үүсгэдэг; (d) F8BT дээр үүсгэсэн экситоноос өндөр энергитэй PFB хамгийн бага эзэнгүй молекул тойрог замд (LUMO) эсвэл дүүрсэн бага энерги PFB* LUMO руу электрон дамжуулахад саад болдог.

Усан тархалттай P3HT-ээс бүтээгдсэн NP-OPV төхөөрөмжүүд: PCBM нано хэсгүүд нь цахилгаан хувиргах үр ашгийг (PCEs) 1.30%, гадны квант үр ашгийг (EQE) 35% -аар харуулсан. Гэсэн хэдий ч PFB: F8BT NPOPV системээс ялгаатай нь P3HT: PCBM NPOPV төхөөрөмжүүд нь гетерожункцийн үндсэн аналогиас бага үр ашигтай байв. Сканнердах рентген микроскопи (STXM) нь идэвхтэй давхарга нь өндөр бүтэцтэй NP морфологийг хадгалж, харьцангуй цэвэр ПХБМ цөм ба холимог P3HT: PCBM бүрхүүлээс бүрдсэн үндсэн бүрхүүлтэй NP-ээс бүрддэг болохыг тогтоожээ (дараагийн зураг). Гэсэн хэдий ч халаахад эдгээр NPOPV төхөөрөмжүүд нь фазын хувьд маш том тусгаарлагдаж, төхөөрөмжийн гүйцэтгэл буурдаг. Үнэн хэрэгтээ энэхүү ажил нь P3HT: PCBM OPV төхөөрөмжүүдийн үр ашиг багатай байгааг тайлбарласан болно.

Алхам 7: NPOPV -ийн гүйцэтгэлийн хураангуй

Сүүлийн хэдэн жилийн хугацаанд мэдээлсэн NPOPV төхөөрөмжийн гүйцэтгэлийн хураангуйг энд оруулав

Хүснэгт. NPOPV төхөөрөмжүүдийн гүйцэтгэл эрс нэмэгдэж, гурван зэрэглэлээр нэмэгдсэн нь хүснэгтээс тодорхой харагдаж байна.

Алхам 8: Дүгнэлт ба ирээдүйн төлөв

Усан дээр суурилсан NPOPV бүрхүүлийг саяхан боловсруулсан нь хямд өртөгтэй OPV төхөөрөмжүүдийг бүтээхэд гарсан парадигмын өөрчлөлтийг илэрхийлж байна. Энэхүү хандлага нь морфологийн хяналтыг нэгэн зэрэг хангаж, төхөөрөмжийн үйлдвэрлэлд дэгдэмхий шатамхай уусгагчийн хэрэгцээг арилгадаг; OPV төхөөрөмжийн одоогийн судалгааны хоёр гол бэрхшээл. Үнэн хэрэгтээ усан суурьтай нарны будаг бүтээсэн нь одоо байгаа хэвлэх байгууламжийг ашиглан том талбай бүхий OPV төхөөрөмжүүдийг хэвлэх гайхалтай боломжийг олгож байна. Түүгээр ч барахгүй усан дээр суурилсан хэвлэгддэг OPV системийг хөгжүүлэх нь маш их ашиг тустай бөгөөд хлоржуулсан уусгагч дээр суурилсан өнөөгийн материалын систем нь үйлдвэрлэлийн хэмжээнд үйлдвэрлэхэд тохиромжгүй болохыг улам бүр хүлээн зөвшөөрч байна. Энэхүү тоймд дурдсан ажил нь шинэ NPOPV аргачлалыг ерөнхийд нь ашиглах боломжтой бөгөөд NPOPV төхөөрөмжийн PCE нь органик уусгагчаар бүтээгдсэн төхөөрөмжтэй өрсөлдөх чадвартай болохыг харуулж байна. Гэсэн хэдий ч эдгээр судалгаанууд нь материалын үүднээс авч үзвэл БЦГ нь органик уусгагчаас гаргаж авсан полимер хольцоос огт өөрөөр ажилладаг болохыг харуулж байна. Бодит байдлын хувьд БЦГ бол цоо шинэ материалын систем бөгөөд органик суурилсан OPV төхөөрөмжүүдэд сурч мэдсэн OPV төхөөрөмж үйлдвэрлэх хуучин дүрмүүд цаашид үйлчлэхгүй болно. Полифлюорины хольц дээр суурилсан NPOPV -ийн хувьд БЦГ -ийн морфологи нь төхөөрөмжийн үр ашгийг хоёр дахин нэмэгдүүлдэг. Гэсэн хэдий ч полимер: фуллерений хольцын хувьд (жишээлбэл, P3HT: PCBM ба P3HT: ICBA), БЦГ -ийн хальс дахь морфологи үүсэх нь маш нарийн төвөгтэй бөгөөд бусад хүчин зүйлүүд (цөмийн тархалт гэх мэт) давамгайлж, төхөөрөмжийн бүтэц, үр ашгийг сайжруулдаггүй. Эдгээр материалын ирээдүйн төлөв нь туйлын ирээдүйтэй бөгөөд төхөөрөмжийн үр ашиг таван жилийн дотор 0.004% -иас 4% болж нэмэгдсэн байна. Хөгжлийн дараагийн үе шатанд NP -ийн бүтэц, NP киноны морфологи, тэдгээрийг хэрхэн хянах, оновчтой болгох механизмыг ойлгох механизм орно. Өнөөдрийг хүртэл нано масштаб дээрх OPV идэвхтэй давхаргын морфологийг хянах чадвар хараахан хэрэгжиж амжаагүй байна. Гэсэн хэдий ч БЦГ -ын материалыг ашиглах нь энэ зорилгодоо хүрэх боломжийг олгож байгааг сүүлийн үеийн ажлууд харуулж байна.