Solar Paint: 8 Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:13

Ang isang partikular na pintura na gumagawa ng direktang kuryente mula sa sikat ng araw.

Ang mga organikong photovoltaics (OPV) ay nag-aalok ng napakalaking potensyal bilang murang mga patong na may kakayahang makabuo ng kuryente nang direkta mula sa sikat ng araw. Ang mga materyal na timpla ng polymer na ito ay maaaring mai-print sa mataas na bilis sa buong malalaking lugar gamit ang mga diskarte sa pagproseso ng roll-to-roll, na lumilikha ng nakakaakit na paningin ng patong sa bawat bubong at iba pang naaangkop na ibabaw ng gusali na may mga photovoltaic na may mababang gastos.

Hakbang 1: Pagbubuo ng mga NP Sa pamamagitan ng Proseso ng Miniemulsion

Ang pamamaraan ng paggawa ng nanoparticle ay gumagamit ng enerhiya na ultrasound na naihatid sa pamamagitan ng isang sungay ng ultrasound na ipinasok sa pinaghalong reaksyon upang makabuo ng isang miniemulsion (Larawan sa itaas). Ginagawa ng sungay ng ultrasound ang pagbuo ng mga droplet na sub-micrometre na posible sa pamamagitan ng paglalapat ng mataas na puwersa ng paggugupit. Ang isang likidong may tubig na may tubig na naglalaman ng surfactant (polar) ay pinagsama sa isang organikong yugto ng polimer na natunaw sa chloroform (non-polar) upang makabuo ng isang macroemulsion, pagkatapos ay ultrasonicated upang makabuo ng isang miniemulsion. Ang polymer chloroform droplets ay bumubuo ng dispersed phase na may isang may tubig na tuloy-tuloy na yugto. Ito ay isang pagbabago ng karaniwang pamamaraan para sa pagbuo ng polymer nanoparticles kung saan ang dispersed phase ay likido monomer.

Kaagad pagkatapos ng miniemulsification, ang solvent ay tinanggal mula sa mga nakakalat na patak sa pamamagitan ng pagsingaw, naiwan ang mga nanoparticle ng polimer. Ang pangwakas na laki ng nanoparticle ay maaaring iba-iba sa pamamagitan ng pagbabago ng paunang konsentrasyon ng surfactant sa may tubig na yugto.

Hakbang 2: Pagbubuo ng mga NP Sa Pamamagitan ng Mga Pamamaraan ng Precipitation

Bilang isang kahalili sa diskarte ng miniemulsion, ang mga diskarte sa pag-ulan ay nag-aalok ng isang simpleng ruta sa paggawa ng semiconducting polymer nanoparticles sa pamamagitan ng pag-iniksyon ng isang solusyon ng aktibong materyal sa isang pangalawang solvent ng mahinang solubility.

Tulad ng naturan, ang pagbubuo ay mabilis, hindi gumagamit ng surfactant, hindi nangangailangan ng pag-init (at samakatuwid, walang prefabrication annealing ng mga nanoparticle) sa yugto ng synthes ng nanoparticle at madaling mai-scale up para sa malakihang pagbubuo ng materyal. Sa pangkalahatan, ang mga pagpapakalat ay ipinapakita na may mas mababang katatagan at nagpapakita ng isang pagbabago ng komposisyon sa pagtayo dahil sa ginustong pag-ulan ng mga maliit na butil ng magkakaibang komposisyon. Gayunpaman, ang diskarte ng pag-ulan ay nag-aalok ng pagkakataon para isama ang synthes ng nanoparticle bilang bahagi ng isang aktibong proseso ng pag-print, na may mga maliit na butil na nabubuo bilang at kung kinakailangan. Bukod dito, Hirsch et al. Ipinakita na sa pamamagitan ng sunud-sunod na pag-aalis ng solvent, posible na synthesise ang inverted core-shell particle kung saan ang pag-aayos ng istruktura ay kontra sa likas na mga energies sa ibabaw ng mga materyales.

Hakbang 3: Ang PFB: F8BT Nanoparticulate Organic Photovoltaic (NPOPV) Material System

Maagang pagsukat ng kahusayan ng conversion ng lakas ng PFB: Ang mga aparatong nanoparticle ng F8BT sa ilalim ng pag-iilaw ng solar ay nag-ulat ng mga aparato na may isang Jsc = 1 × 10 −5 A cm ^ −2 at Voc = 1.38 V, na (sa pag-aakalang pinakamahusay na tantyahin ang hindi nalalaman na fill factor (FF) ng 0.28 mula sa maramihang mga aparato ng pagsasama) tumutugma sa isang PCE na 0.004%.

Ang nag-iisang iba pang mga pagsukat ng photovoltaic ng PFB: F8BT nanoparticle aparato ay mga panlabas na plot ng kahusayan sa kabuuan (EQE). Ang mga multilayered photovoltaic na aparato ay gawa-gawa mula sa PFB: F8BT nanoparticles, na nagpakita ng pinakamataas na kahusayan sa conversion ng lakas na sinusunod para sa mga materyal na polyfluorene nanoparticle na ito.

Ang nadagdagang pagganap ay nakamit sa pamamagitan ng pagkontrol ng mga enerhiya sa ibabaw ng mga indibidwal na bahagi sa polymer nanoparticle at ang pagpoproseso ng post-deposition ng mga layer ng polymer nanoparticle. Kapansin-pansin, ipinakita ng gawaing ito na ang mga gawa-gawang nanoparticulate na organikong photovoltaic (NPOPV) na mga aparato ay mas mahusay kaysa sa karaniwang mga timpla na aparato (Larawan sa paglaon).

Hakbang 4: Larawan

Paghahambing ng mga de-koryenteng katangian ng mga nanoparticle at maramihang heterojunction na aparato. (a) Pagkakaiba-iba ng kasalukuyang density kumpara sa boltahe para sa isang limang-layer PFB: F8BT (poly (9, 9-dioctylfluorene-co-N, N'-bis (4-butylphenyl) -N, N'-diphenyl-1, 4-phenylenediamine) (PFB); poly (9, 9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole (F8BT)) nanoparticulate (puno ng mga bilog) at isang maramihang heterojunction (bukas na bilog) na aparato; (b) Pagkakaiba-iba ng panlabas na dami ng kahusayan (EQE) vs.. haba ng daluyong para sa isang limang-layer na PFB: F8BT nanoparticulate (puno ng mga bilog) at isang maramihang heterojunction (bukas na mga bilog) na aparato. Ipinakita rin (dased line) ay ang EQE plot para sa nanopartikulahin na aparato ng pelikula.

Ang epekto ng Ca at Al cathodes (dalawa sa mga pinaka-karaniwang mga materyal na electrode) sa mga aparato ng OPV batay sa polyfluorene na nagsasama ng mga disperse ng may tubig na polimer nanoparticle (NP). Ipinakita nila na ang mga aparato ng PFB: F8BT NPOPV na may Al at Ca / Al cathodes ay nagpapakita ng husay na magkatulad na pag-uugali, na may pinakamataas na PCE na ~ 0.4% para sa Al at ~ 0.8% para sa Ca / Al, at mayroong isang natatanging na-optimize na kapal para sa Mga aparato ng NP (susunod na Larawan). Ang pinakamainam na kapal ay isang bunga ng nakikipagkumpitensyang pisikal na mga epekto ng pagkumpuni at pagpuno ng mga depekto para sa manipis na mga pelikula [32, 33] at ang pagbuo ng stress crack sa mga makapal na pelikula.

Ang pinakamainam na kapal ng layer sa mga aparatong ito ay tumutugma sa kritikal na kapal ng pag-crack (CCT) sa itaas kung saan nangyayari ang pag-crack ng stress, na nagreresulta sa mababang paglaban ng shunt at pagbawas sa pagganap ng aparato.

Hakbang 5: Larawan

Pagkakaiba-iba ng kahusayan sa conversion ng lakas (PCE) na may bilang ng mga idineposito na mga layer para sa mga aparato ng PFB: F8BT nanoparticulate na organikong photovoltaic (NPOPV) na gawa-gawa ng isang Al cathode (puno ng mga bilog) at isang Ca / Al cathode (bukas na mga bilog). Ang mga linya na may tuldok at may gitik ay naidagdag upang gabayan ang mata. Ang isang average na error ay natutukoy batay sa pagkakaiba-iba para sa isang minimum na sampung mga aparato para sa bawat bilang ng mga layer.

Kaya, pinahuhusay ng mga aparato ng F8BT ang paghiwalay ng exciton na may kaugnayan sa kaukulang istraktura ng BHJ. Bukod dito, ang paggamit ng isang Ca / Al cathode ay nagreresulta sa paglikha ng mga estado ng agwat ng interfacial (Larawan sa paglaon), na binabawasan ang muling pagsasama ng mga singil na nabuo ng PFB sa mga aparatong ito at ibabalik ang boltahe ng bukas na circuit sa antas na nakuha para sa isang na-optimize na aparato ng BHJ, na nagreresulta sa isang PCE na papalapit sa 1%.

Hakbang 6: Larawan

Mga diagram ng antas ng enerhiya para sa PFB: F8BT nanoparticles sa pagkakaroon ng calcium. (a) Ang kaltsyum ay nagkakalat sa ibabaw ng nanoparticle; (b) Ang calcium ay nagtutunaw ng shell na mayaman ng PFB, na gumagawa ng mga estado ng puwang. Ang paglipat ng elektron ay nangyayari mula sa paggawa ng kaltsyum na puno ng mga puwang na estado ng puwang; (c) Ang isang exciton na nabuo sa PFB ay papalapit sa materyal na doped PFB (PFB *), at isang butas na lilipat sa puno ng estado ng puwang, na gumagawa ng isang mas masiglang electron; (d) Ang paglipat ng elektron mula sa isang exciton na nabuo sa F8BT sa alinman sa mas mataas na enerhiya na PFB na pinakamababang walang tao na molekular orbital (LUMO) o ang napunan na mas mababang enerhiya na PFB * LUMO ay hinahadlangan.

Ang mga aparato ng NP-OPV ay gawa-gawa mula sa nakakalat na tubig na P3HT: mga nanoparticle ng PCBM na nagpakita ng mga kahusayan sa pag-convert ng kuryente (PCEs) na 1.30% at pinakamataas na panlabas na kabuuan ng lakas (EQE) na 35%. Gayunpaman, hindi katulad ng PFB: F8BT NPOPV system, ang mga aparato ng P3HT: PCBM NPOPV ay hindi gaanong mabisa kaysa sa kanilang mga katapat na heterojunction. Ang pag-scan sa paghahatid ng X-ray microscopy (STXM) ay nagsiwalat na ang aktibong layer ay nagpapanatili ng isang lubos na nakabalangkas na morpolohiya ng NP at binubuo ang mga core-shell NP na binubuo ng isang medyo purong core ng PCBM at isang pinaghalong P3HT: PCBM shell (susunod na Larawan). Gayunpaman, sa pagsusubo, ang mga aparatong NPOPV na ito ay sumailalim sa malawak na paghihiwalay ng yugto at isang kaukulang pagbaba sa pagganap ng aparato. Sa katunayan, ang gawaing ito ay nagbigay ng isang paliwanag para sa mas mababang kahusayan ng mga na-annealed na P3HT: mga aparato ng PCBM OPV, dahil ang pagproseso ng thermal ng pelikula ng NP ay nagreresulta sa isang mabisang istrakturang "sobrang annealed" na may nagaganap na gross phase na paghihiwalay, sa gayon ay nakakagambala sa pagbuo ng pagsingil at transportasyon.

Hakbang 7: Buod ng Pagganap ng NPOPV

Ang isang buod ng pagganap ng mga aparatong NPOPV na iniulat sa nakaraang ilang taon ay ipinakita sa

Talahanayan Malinaw mula sa talahanayan na ang pagganap ng mga aparatong NPOPV ay tumaas nang malaki, na may pagtaas ng tatlong mga order ng lakas.

Hakbang 8: Mga Konklusyon at Future Outlook

Ang kamakailang pag-unlad ng mga patong na NPOPV na nakabatay sa tubig ay kumakatawan sa isang paradigm shift sa pagbuo ng mga low-cost OPV device. Ang pamamaraang ito nang sabay-sabay ay nagbibigay ng kontrol ng morpolohiya at inaalis ang pangangailangan para sa pabagu-bago ng isip na mga nasusunog na solvents sa paggawa ng aparato; dalawang pangunahing hamon ng kasalukuyang pagsasaliksik sa aparato ng OPV. Sa katunayan, ang pagpapaunlad ng isang pinturang solar na nakabatay sa tubig ay nag-aalok ng nakakaakit na pag-asa ng pag-print ng malalaking lugar na mga aparato ng OPV gamit ang anumang umiiral na pasilidad sa pag-print. Bukod dito, lalong kinikilala na ang pag-unlad ng isang naka-print na OPV na nakabatay sa tubig na sistema ay magiging lubos na kapaki-pakinabang at ang kasalukuyang mga sistema ng materyal na batay sa mga chlorine solvents ay hindi angkop para sa produksyon ng sukat sa komersyo. Ang gawaing inilarawan sa pagsusuri na ito ay nagpapakita na ang bagong pamamaraan ng NPOPV ay karaniwang naaangkop at ang mga PCP ng aparato ng NPOPV ay maaaring maging mapagkumpitensya sa mga aparatong binuo mula sa mga organikong solvent. Gayunpaman, isiniwalat din ng mga pag-aaral na ito, mula sa isang materyal na pananaw, ang mga NP ay kumikilos na ganap na naiiba mula sa mga timpla ng polimer na pinagsama mula sa mga organikong solvent. Mabisa, ang mga NP ay isang ganap na bagong materyal na materyal, at tulad nito, ang mga lumang patakaran para sa katha ng OPV aparato na natutunan para sa mga aparato na batay sa organikong OPV ay hindi na nalalapat. Sa kaso ng NPOPVs batay sa polyfluorene blends, ang NP morphology ay nagreresulta sa isang pagdoble ng kahusayan ng aparato. Gayunpaman, para sa polimer: ang buong buong timpla (hal., P3HT: PCBM at P3HT: ICBA), ang pagbuo ng morphology sa mga pelikula ng NP ay lubhang kumplikado, at ang iba pang mga kadahilanan (tulad ng pangunahing pagsasabog) ay maaaring mangibabaw, na magreresulta sa hindi napagpasyahang mga istraktura ng aparato at mga kahusayan. Ang pananaw sa hinaharap para sa mga materyal na ito ay lubos na maaasahan, na may mga kahusayan sa aparato na tumaas mula 0.004% hanggang 4% sa mas mababa sa limang taon. Ang susunod na yugto ng pag-unlad ay kasangkot sa pag-unawa sa mga mekanismo na tumutukoy sa istraktura ng NP at morpolohiya ng NP na pelikula at kung paano ito makokontrol at ma-optimize. Sa ngayon, ang kakayahang kontrolin ang morpolohiya ng mga aktibong layer ng OPV sa nanoscale ay hindi pa maisasakatuparan. Gayunpaman, ipinapakita ng kamakailang gawain na ang paglalapat ng mga materyales sa NP ay maaaring payagan ang layuning ito na makamit.