Quyosh bo'yog'i: 8 qadam

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:26

Quyosh nurlaridan to'g'ridan -to'g'ri elektr energiyasini ishlab chiqaradigan maxsus bo'yoq.

Organik fotovoltaiklar (OPV) ulkan salohiyatni taklif etadi, chunki ular quyosh nurlaridan to'g'ridan -to'g'ri elektr energiyasini ishlab chiqarishga qodir. Ushbu polimer aralash materiallari rulonli-silindrli ishlov berish texnikasi yordamida katta maydonlarda yuqori tezlikda bosib chiqarilishi mumkin, bu esa har bir tomni va boshqa tegishli qurilish yuzasini arzon fotovoltaiklar bilan qoplashning ajoyib tasavvurini yaratadi.

1 -qadam: Miniemulsion jarayon orqali NP sintezi

Nanopartikullarni ishlab chiqarish usuli, miniemulsiya hosil qilish uchun reaktsiya aralashmasiga kiritilgan ultratovush shoxi orqali etkazib beriladigan ultratovush energiyasidan foydalanadi (yuqoridagi rasm). Ultratovush shoxi yuqori mikrometrli tomchilar hosil bo'lishini yuqori kesish kuchi yordamida amalga oshiradi. Suyuq suvli sirt faol moddalar o'z ichiga olgan faza (qutbli) makroemulsiyani hosil qilish uchun xloroformda (qutbsiz) erigan polimerning organik fazasi bilan birlashtiriladi, so'ngra miniemulsiya hosil qilish uchun ultratovushlanadi. Polimer xloroformli tomchilar suvli uzluksiz fazali dispers fazani tashkil qiladi. Bu dispers fazasi suyuq monomer bo'lgan polimer nanopartikullarni hosil qilishning odatiy usulining modifikatsiyasi.

Miniemulsifikatsiyadan so'ng, erituvchi dispersli tomchilardan bug'lanish orqali chiqariladi va polimer nanohissaciklari qoladi. Suvli fazada sirt faol moddaning boshlang'ich kontsentratsiyasini o'zgartirish orqali nanopartikulalarning yakuniy hajmini o'zgartirish mumkin.

2 -qadam: Yog'ingarchilik usullari orqali NP sintezi

Mini -emulsiya yondashuviga alternativa sifatida, yog'ingarchilik texnikasi, eriydiganligi past bo'lgan ikkinchi erituvchiga faol moddaning eritmasini quyish orqali yarimo'tkazgichli polimer nanohissachalarni ishlab chiqarishning oddiy yo'lini taklif qiladi.

Shunday qilib, sintez tez, sirt faol moddalarni ishlatmaydi, nanopartikullar sintez bosqichida isitishni talab qilmaydi (va shuning uchun nanopartikullarni oldindan tayyorlash). Umuman olganda, dispersiyalar pastroq stabillikka ega ekanligi va turlicha turlicha bo'lgan zarrachalarning yog'ingarchiliklari tufayli turg'unlikda o'zgarishini ko'rsatdi. Biroq, yog'ingarchilik usuli nanopartikullar sintezini faol bosib chiqarish jarayonining bir qismi sifatida kiritish imkonini beradi, bunda zarralar kerak bo'lganda hosil bo'ladi. Bundan tashqari, Xirsh va boshqalar. erituvchilarning ketma-ket siljishi natijasida teskari yadroli qobiq zarrachalarini sintez qilish mumkinligini ko'rsatdi, bu erda strukturaning joylashuvi materiallarning o'ziga xos sirt energiyasiga ziddir.

3 -qadam: PFB: F8BT nanopartikulyar organik fotovoltaik (NPOPV) materiallar tizimi

PFB quvvat konvertatsiya qilish samaradorligining dastlabki o'lchovlari: quyosh nuri ostida ishlaydigan F8BT nanohissachali qurilmalar Jsc = 1 × 10-5 A sm^-2 va Voc = 1.38 V ga teng qurilmalar haqida xabar berdi, bu (eng yaxshi baholanmagan to'lmagan faktor (FF) 0,28 ning ommaviy aralashtirish qurilmalaridan) 0,004%PCE ga to'g'ri keladi.

PFB: F8BT nanopartikulyar qurilmalarining boshqa fotovoltaik o'lchovlari tashqi kvant samaradorligi (EQE) uchastkalari edi. PFB: F8BT nanopartikullaridan ishlab chiqarilgan ko'p qatlamli fotovoltaik qurilmalar, bu polifluorenli nanopartikulyar materiallar uchun eng yuqori quvvat konvertatsiya qilish samaradorligini ko'rsatdi.

Bu ko'rsatkichning oshishiga polimer nanopartikulalaridagi alohida komponentlarning sirt energiyasini nazorat qilish va polimer nanohissacik qatlamlarini yotqizishdan keyingi qayta ishlash orqali erishildi. Shunisi e'tiborliki, bu ish shuni ko'rsatdiki, ishlab chiqarilgan nanopartikulyar organik fotovoltaik (NPOPV) qurilmalar standart aralash qurilmalarga qaraganda ancha samaraliroq bo'lgan (keyingi rasm).

4 -qadam: rasm

Nanopartikulyar va katta hajmli heterojunksion qurilmalarning elektr xususiyatlarini solishtirish. (a) Besh qavatli PFB uchun oqim zichligi va kuchlanish farqi: F8BT (poli (9, 9-dioktilfloren-ko-N, N'-bis (4-butilfenil) -N, N'-difenil-1, 4-fenilenediamin) (PFB); poli (9, 9-dioktilfloren-ko-benzotiadiazol (F8BT)) nanopartikulyar (to'ldirilgan doiralar) va ommaviy heterojunksiya (ochiq doiralar) qurilmasi; (b) Tashqi kvant samaradorligi (EQE) va boshqalar Besh qavatli PFB uchun to'lqin uzunligi: F8BT nanopartikulyar (to'ldirilgan doiralar) va katta heterojunksiya (ochiq doiralar) qurilmasi. Shuningdek, nanopartikulyar plyonka qurilmasi uchun EQE chizig'i ko'rsatilgan.

OPF qurilmalarida Ca va Al katodlarining (eng keng tarqalgan elektrod materiallaridan ikkitasi) polifluoren aralashmasi suvli polimer nanopartikulalari (NP) dispersiyalariga ta'siri. Ular AlFa va Ca/Al katodli PFB: F8BT NPOPV qurilmalari sifat jihatidan juda o'xshash xatti -harakatlarga ega ekanligini ko'rsatdi, PCE ning yuqori cho'qqisi Al uchun ~ 0,4% va Ca/Al uchun ~ 0,8% ni tashkil etadi va bu uchun aniq optimallashtirilgan qalinligi borligini ko'rsatdi. NP qurilmalari (keyingi rasm). Optimal qalinlik - yupqa plyonkalardagi nuqsonlarni tuzatish va to'ldirishning raqobatbardosh jismoniy ta'siri [32, 33] va qalin plyonkalarda stress yorilishining natijasidir.

Bu qurilmalardagi qatlamning optimal qalinligi kritik yorilish qalinligiga (CCT) to'g'ri keladi, uning ustidan stress yorilishi sodir bo'ladi, natijada shunt qarshiligi past bo'ladi va qurilma ishlashi pasayadi.

5 -qadam: rasm

Quvvat konvertatsiya qilish samaradorligini (PCE) PFB uchun yotqizilgan qatlamlar soniga qarab o'zgartirish: Al katodli (to'ldirilgan doiralar) va Ca/Al katodli (ochiq doiralar) F8BT nanopartikulyar organik fotovoltaik (NPOPV) qurilmalari. Ko'zni yo'naltirish uchun nuqta va kesilgan chiziqlar qo'shilgan. O'rtacha xato har bir qatlam uchun kamida o'nta qurilmaning farqiga qarab aniqlandi.

Shunday qilib, F8BT qurilmalari tegishli BHJ tuzilishiga nisbatan eksiton dissotsilanishini kuchaytiradi. Bundan tashqari, Ca/Al katodidan foydalanish, bu qurilmalarda PFB tomonidan ishlab chiqarilgan zaryadlarning rekombinatsiyasini kamaytiradigan va BHJ qurilmasining optimallashtirilgan darajasiga qadar ochiq kontaktlarning zanglashiga olib keladigan interfeyslar orasidagi bo'shliq holatini yaratishga olib keladi (keyingi rasm). natijada PCE 1%ga yaqinlashadi.

6 -qadam: rasm

PFB uchun energiya darajasi diagrammasi: F8BT kaltsiy ishtirokida nanohissalar. a) kaltsiy nanopartikulalar yuzasi orqali tarqaladi; (b) Kaltsiy PFBga boy qobiqni qo'shib, bo'shliq holatini hosil qiladi. Elektron o'tkazish kaltsiy ishlab chiqaruvchi bo'shliq holatidan sodir bo'ladi; (c) PFBda hosil bo'lgan eksiton qo'shilgan PFB materialiga (PFB*) yaqinlashadi va tuynuk to'ldirilgan bo'shliq holatiga o'tadi va yanada baquvvat elektron hosil qiladi; (d) F8BTda hosil bo'lgan eksitondan yuqori energiyali PFB eng past band bo'lmagan molekulyar orbitalga (LUMO) yoki to'ldirilgan pastki energiyali PFB* LUMOga elektron uzatishga to'sqinlik qiladi.

Suvda tarqalgan P3HT: NB-OPV qurilmalari: PCBM nanopartikullari 1.30% quvvat konversiyasi samaradorligini (PCE) va 35% tashqi kvant samaradorligini (EQE) namoyish etdi. Biroq, PFB: F8BT NPOPV tizimidan farqli o'laroq, P3HT: PCBM NPOPV qurilmalari katta hajmli heterojunksiyali hamkasblariga qaraganda unchalik samarasiz edi. Skanerlash rentgen mikroskopi (STXM) shuni ko'rsatdiki, faol qatlam yuqori darajada tuzilgan NP morfologiyasini saqlaydi va nisbatan toza PCBM yadrosi va aralash P3HT: PCBM qobig'idan tashkil topgan yadro qobiqli NP ni o'z ichiga oladi (keyingi rasm). Biroq, tavlanayotganda, bu NPOPV qurilmalari fazali fazalarga bo'linadi va mos ravishda qurilmaning ishlashida pasayish kuzatiladi. Darhaqiqat, bu ish P3HT: PCBM OPV qurilmalarining samaradorligi pastligi uchun tushuntirish berdi, chunki NP plyonkasini termal qayta ishlash samarali "haddan tashqari tavlangan" tuzilishga olib keladi, bu esa yalpi fazalarni ajratish bilan sodir bo'ladi va shu bilan zaryad hosil bo'lishi va tashilishini buzadi.

7 -qadam: NPOPV ishlashining qisqacha mazmuni

So'nggi bir necha yil mobaynida hisobot berilgan NPOPV qurilmalarining ishlashi haqida qisqacha ma'lumot berilgan

Jadval. Jadvaldan ko'rinib turibdiki, NPOPV qurilmalarining ishlashi keskin oshib, uchta buyruq darajasiga ko'tarildi.

8 -qadam: Xulosa va kelajak istiqbollari

Yaqinda suvga asoslangan NPOPV qoplamalarining rivojlanishi arzon OPV qurilmalarini ishlab chiqishdagi paradigma o'zgarishini anglatadi. Bu yondashuv bir vaqtning o'zida morfologiyani nazorat qilishni ta'minlaydi va qurilma ishlab chiqarishda uchuvchan tez yonuvchi erituvchilarga bo'lgan ehtiyojni yo'q qiladi; OPV qurilmalarini tadqiq qilishning ikkita asosiy vazifasi. Haqiqatan ham, suvga asoslangan quyosh bo'yog'ini ishlab chiqish, har qanday mavjud bosmaxona yordamida katta maydonli OPV qurilmalarini chop etishning ajoyib imkoniyatini beradi. Bundan tashqari, suvga asoslangan bosma OPV tizimini ishlab chiqish juda foydali bo'lishi va xlorli erituvchilarga asoslangan hozirgi material tizimlari tijorat miqyosida ishlab chiqarish uchun mos emasligi tobora ko'proq e'tirof etilmoqda. Ushbu sharhda tasvirlangan ish shuni ko'rsatadiki, yangi NPOPV metodologiyasi umuman qo'llanilishi mumkin va NPOPV qurilmasi PCElari organik erituvchilardan qurilgan qurilmalar bilan raqobatlasha oladi. Biroq, bu tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, moddiy nuqtai nazardan, NPlar organik erituvchilardan tayyorlangan polimer aralashmalaridan mutlaqo farq qiladi. NP-bu mutlaqo yangi moddiy tizim, shuning uchun OPV qurilmalarini ishlab chiqarishning organik asosli OPV qurilmalari uchun o'rganilgan eski qoidalari endi qo'llanilmaydi. Polifloren aralashmalariga asoslangan NPOPVlar holatida, NP morfologiyasi qurilmaning samaradorligini ikki barobar oshiradi. Shu bilan birga, polimer: fulleren aralashmalari uchun (masalan, P3HT: PCBM va P3HT: ICBA), NP plyonkalarida morfologik shakllanish juda murakkab va boshqa omillar (masalan, yadro diffuziyasi) ustunlik qilishi mumkin, natijada qurilma tuzilmalari va samaradorligi aniqlanmagan bo'ladi. Bu materiallarning kelajakdagi istiqboli nihoyatda istiqbolli bo'lib, besh yildan kamroq vaqt mobaynida qurilma samaradorligi 0,004% dan 4% gacha ko'tarildi. Rivojlanishning keyingi bosqichi NP tuzilishi va NP plyonkasining morfologiyasini aniqlaydigan mexanizmlarni va ularni qanday boshqarish va optimallashtirishni tushunishni o'z ichiga oladi. Bugungi kunga kelib, nano o'lchovdagi OPV faol qatlamlarining morfologiyasini nazorat qilish qobiliyati hali amalga oshmagan. Biroq, yaqinda o'tkazilgan ishlar shuni ko'rsatadiki, NP materiallarini qo'llash bu maqsadga erishishga imkon beradi.