Արևային ներկ `8 քայլ

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:48

Հատուկ ներկ, որն ուղիղ էլեկտրաէներգիա է արտադրում արևի լույսից:

Օրգանական ֆոտոգալվանային (OPV) հսկայական ներուժ են առաջարկում որպես էժան ծածկույթներ, որոնք ունակ են էլեկտրաէներգիա արտադրել անմիջապես արևի լույսից: Այս պոլիմերային խառնուրդի նյութերը կարող են մեծ արագությամբ տպագրվել մեծ տարածքներում ՝ գլորվելով գլորման տեխնիկայով ՝ ստեղծելով յուրաքանչյուր տանիք և շինության այլ համապատասխան մակերես ցածրորակ ֆոտոգալվաններով ծածկելու հուզիչ տեսլականը:

Քայլ 1. ԱԷԿ -երի սինթեզ `մինիմուլսիայի գործընթացի միջոցով

Նանոմասնիկների պատրաստման մեթոդը օգտագործում է ուլտրաձայնային էներգիան, որը փոխանցվում է ռեակցիայի խառնուրդի մեջ տեղադրված ուլտրաձայնային եղջյուրի միջոցով ՝ մինիէմուլսիա առաջացնելու համար (նկար վերը): Ուլտրաձայնային եղջյուրը հնարավոր է դարձնում ենթամիկրոմետրային կաթիլների ձևավորումը `կիրառելով բարձր կտրող ուժ: Հեղուկ ջրային մակերեսային ակտիվ նյութ պարունակող փուլը (բևեռային) զուգակցվում է քլորոֆորմում (ոչ բևեռային) լուծված պոլիմերի օրգանական փուլի հետ `առաջացնելով մակրոէմուլսիա, այնուհետև ուլտրաձայնային` մինիամուլսիա ձևավորելու համար: Պոլիմերային քլորոֆորմային կաթիլները կազմում են ցրված փուլը `ջրային շարունակական փուլով: Սա պոլիմերային նանոմասնիկների առաջացման սովորական մեթոդի փոփոխություն է, որտեղ ցրված փուլը հեղուկ մոնոմեր էր:

Մինիէմուլսացումից անմիջապես հետո լուծիչը գոլորշիացման միջոցով հեռացվում է ցրված կաթիլներից ՝ թողնելով պոլիմերային նանոմասնիկներ: Նանոմասնիկի վերջնական չափը կարող է փոփոխվել ՝ փոխելով մակերեսային ակտիվ նյութի սկզբնական կոնցենտրացիան ջրային փուլում:

Քայլ 2. ԱԷԿ -երի սինթեզ `տեղումների եղանակների միջոցով

Որպես մինիէմուլսիայի մոտեցման այլընտրանք, տեղումների տեխնիկան առաջարկում է կիսահաղորդիչ պոլիմերային նանոմասնիկների արտադրության պարզ ուղի `աղքատ լուծելիության երկրորդ լուծիչի մեջ ակտիվ նյութի լուծույթի ներարկման միջոցով:

Որպես այդպիսին, սինթեզն արագ է, չի օգտագործում մակերեսային ակտիվ նյութ, չի պահանջում ջեռուցում (և, հետևաբար, նանոմասնիկների նախամշակման հալում) նանոմասնիկների սինթեզի փուլում և կարող է հեշտությամբ մեծանալ նյութի լայնածավալ սինթեզի համար: Ընդհանուր առմամբ, ապացուցված է, որ ցրումներն ունեն ավելի ցածր կայունություն և ցուցադրում են կազմի փոփոխություն `տարբեր կազմի մասնիկների նախընտրելի տեղումների պատճառով: Այնուամենայնիվ, տեղումների մոտեցումն իսկապես հնարավորություն է ընձեռում նանոմասնիկների սինթեզը ներառել որպես ակտիվ տպագրության գործընթացի մի մաս, որտեղ մասնիկները կստեղծվեն ըստ անհրաժեշտության և ըստ անհրաժեշտության: Ավելին, Hirsch et al. ցույց են տվել, որ վճարունակների հաջորդական տեղաշարժի դեպքում հնարավոր է սինթեզել շրջված միջուկային թաղանթի մասնիկներ, որտեղ կառուցվածքային դասավորությունը հակասում է նյութերի բնածին մակերեսային էներգիաներին:

Քայլ 3: The PFB: F8BT Nanoparticulate Organic Photovoltaic (NPOPV) Material System

PFB- ի էներգիայի փոխակերպման արդյունավետության վաղ չափումներ. F8BT նանոմասնիկային սարքեր արևի լուսավորության ներքո հաղորդել են սարքեր Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 և Voc = 1.38 V, որոնք (ենթադրելով չմարված լրացման գործակից (FF) լավագույն գնահատական) զանգվածային խառնուրդի սարքերից 0.28 -ի) համապատասխանում է 0.004%PCE- ին:

PFB- ի միակ այլ ֆոտոգալվանային չափումները. F8BT նանոմասնիկների սարքերը արտաքին քվանտային արդյունավետության (EQE) գծապատկերներն էին: PFB- ից ՝ F8BT նանոմասնիկներից պատրաստված բազմաշերտ ֆոտովոլտային սարքեր, որոնք ցուցադրել են այս պոլիֆլորորային նանոմասնիկային նյութերի էներգիայի փոխակերպման ամենաբարձր արդյունավետությունը:

Այս բարձր կատարողականը ձեռք է բերվել պոլիմերային նանոմասնակի առանձին բաղադրիչների մակերեսային էներգիաների վերահսկման և պոլիմերային նանոմասնիկների շերտերի հետընտրական վերամշակման միջոցով: Հատկանշական է, որ այս աշխատանքը ցույց տվեց, որ պատրաստված նանոմասնիկավոր օրգանական ֆոտովոլտային (NPOPV) սարքերը ավելի արդյունավետ էին, քան ստանդարտ խառնուրդի սարքերը (նկարը հետագայում):

Քայլ 4: Նկար

Նանոմասնիկների և զանգվածային հետերֆունկցիոնալ սարքերի էլեկտրական բնութագրերի համեմատություն: (ա) Ընթացիկ խտության և լարման փոփոխություն հինգ շերտով PFB- ի համար. 4-ֆենիլենդիամին) (PFB); poly (9, 9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole (F8BT)) nanoparticulate (լցված շրջանակներ) և զանգվածային հետերֆունկցիա (բաց շրջանակներ) սարք; բ) արտաքին քվանտային արդյունավետության փոփոխություն (EQE) ընդդեմ ալիքի երկարությունը հինգ շերտանի PFB- ի համար ՝ F8BT նանոմասնիկավոր (լցված շրջանակներ) և զանգվածային հետերկոնֆունկցիոն (բաց շրջանակներ) սարք: Նաև ցուցադրված է (գծանշված գծով) նանոմասնիկ ֆիլմային սարքի EQE գծապատկերը:

Ca և Al կաթոդների (էլեկտրոդների ամենատարածված նյութերից երկուսը) ազդեցությունը OPV սարքերում ՝ հիմնված պոլիֆտորեն խառնուրդի ջրային պոլիմերային նանոմասնիկի (NP) ցրվածության վրա: Նրանք ցույց տվեցին, որ Al և Ca/Al կաթոդներով PFB: F8BT NPOPV սարքերը որակապես շատ նման վարքագիծ են դրսևորում ՝ գագաթնակետային PCE- ով ՝ 4 0.4% Al- ի համար և 8 0.8% Ca/Al- ի համար, և որ կա հստակ օպտիմիզացված հաստություն: NP սարքեր (հաջորդ նկար): Օպտիմալ հաստությունը բարակ թաղանթների արատների վերանորոգման և լրացման մրցունակ ֆիզիկական ազդեցությունների հետևանք է [32, 33] և հաստ ֆիլմերում սթրեսային ճաքերի առաջացման:

Այս սարքերում շերտի օպտիմալ հաստությունը համապատասխանում է ճեղքման կրիտիկական հաստությանը (CCT), որի վերևում տեղի է ունենում լարվածության ճեղքվածք, ինչը հանգեցնում է շունտի ցածր դիմադրության և սարքի կատարողականի նվազման:

Քայլ 5: Նկար

Էլեկտրաէներգիայի փոխակերպման արդյունավետության տատանում (PFB) ավանդված շերտերի քանակով. F8BT նանոմասնիկային օրգանական ֆոտովոլտային (NPOPV) սարքեր, որոնք պատրաստված են Al կաթոդով (լցված շրջանակներ) և Ca/Al կաթոդով (բաց շրջանակներ): Աչքն ուղղորդելու համար ավելացվել են կետավոր և գծանշված գծեր: Միջին սխալը որոշվել է `յուրաքանչյուր տողի համար նվազագույնը տասը սարքի շեղման հիման վրա:

Այսպիսով, F8BT սարքերը բարձրացնում են էքսիտոնի տարանջատումը `համեմատած համապատասխան BHJ կառուցվածքի հետ: Ավելին, Ca/Al կաթոդի օգտագործումը հանգեցնում է միջերեսային բացերի վիճակների ստեղծմանը (Նկար ավելի ուշ), ինչը նվազեցնում է այդ սարքերում PFB- ի կողմից առաջացած լիցքերի վերամիավորումը և բաց միացման լարումը վերականգնում է BHJ օպտիմալացված սարքի համար ստացված մակարդակին:, որի արդյունքում PCE- ն մոտենում է 1%-ին:

Քայլ 6: Նկար

PFB- ի էներգիայի մակարդակի դիագրամներ. F8BT նանոմասնիկներ `կալցիումի առկայության դեպքում: ա) կալցիումը ցրվում է նանոմասնիկի մակերեսի միջով. բ) Կալցիումը դուրս է մղում PFB- ով հարուստ կեղևը ՝ առաջացնելով բացերի վիճակ: Էլեկտրոնի փոխանցումը տեղի է ունենում կալցիում արտադրող լրացված բացերի վիճակներից. գ) PFB- ի վրա առաջացած էքսիտոնը մոտենում է դոպինացված PFB նյութին (PFB*), և անցքը փոխանցվում է լրացված բացվածքի վիճակին ՝ արտադրելով ավելի էներգետիկ էլեկտրոն; դ) Էլեկտրոնի փոխանցումը F8BT- ով առաջացած էքսիտոնից կամ խոչընդոտվում է ավելի բարձր էներգիայի PFB ամենացածր չզբաղված մոլեկուլային ուղեծրին (LUMO) կամ ավելի ցածր էներգիայի լցված PFB* LUMO- ին:

NP-OPV սարքերը, որոնք պատրաստված են ջրի ցրված P3HT- ից. Սակայն, ի տարբերություն PFB: F8BT NPOPV համակարգի, P3HT: PCBM NPOPV սարքերն ավելի քիչ արդյունավետ էին, քան իրենց զանգվածային հետերֆունկցիոնալ գործընկերները: Փոխանցման ռենտգենյան մանրադիտակի սկանավորումը (STXM) պարզեց, որ ակտիվ շերտը պահպանում է բարձր կառուցվածքով NP ձևաբանություն և ներառում է միջուկային թաղանթային NP- ներ, որոնք բաղկացած են համեմատաբար մաքուր PCBM միջուկից և P3HT- ի խառնված PCBM պատյանից (հաջորդ նկար): Այնուամենայնիվ, կծկվելուց հետո այս NPOPV սարքերը ենթարկվում են փուլերի լայն տարանջատման և սարքի կատարողականի համապատասխան նվազման: Իրոք, այս աշխատանքը բացատրություն տվեց կծած P3HT: PCBM OPV սարքերի ավելի ցածր արդյունավետության համար, քանի որ NP ֆիլմի ջերմամշակումը հանգեցնում է արդյունավետ «չափազանց կծած» կառուցվածքի, որի ընթացքում առաջանում է համախառն փուլային անջատում ՝ դրանով իսկ խափանելով լիցքավորման արտադրությունն ու փոխադրումը:

Քայլ 7: NPOPV- ի կատարման ամփոփում

Ներկայացված է վերջին մի քանի տարիների ընթացքում NPOPV սարքերի կատարողականի ամփոփագիրը

Սեղան. Աղյուսակից պարզ է դառնում, որ NPOPV սարքերի կատարողականը կտրուկ աճել է ՝ երեք կարգի բարձրությամբ:

Քայլ 8. Եզրակացություններ և ապագա հեռանկար

Waterրային հիմքով NPOPV ծածկույթների վերջին զարգացումը ներկայացնում է ցածրարժեք OPV սարքերի զարգացման պարադիգմայի փոփոխություն: Այս մոտեցումը միաժամանակ ապահովում է մորֆոլոգիայի վերահսկողություն և վերացնում սարքի արտադրության մեջ անկայուն դյուրավառ լուծիչների անհրաժեշտությունը. OPV սարքերի ընթացիկ հետազոտությունների երկու հիմնական մարտահրավերներ: Իրոք, ջրի վրա հիմնված արևային ներկի մշակումն առաջարկում է մեծ տարածքի OPV սարքեր տպելու գայթակղիչ հեռանկար ՝ օգտագործելով առկա տպագրական սարքավորումները: Ավելին, ավելի ու ավելի է ընդունվում, որ ջրի վրա հիմնվող տպվող OPV համակարգի զարգացումը չափազանց ձեռնտու կլինի, և որ քլորացված լուծիչների վրա հիմնված ներկայիս նյութական համակարգերը պիտանի չեն առևտրային մասշտաբի արտադրության համար: Այս վերանայում նկարագրված աշխատանքը ցույց է տալիս, որ NPOPV նոր մեթոդաբանությունը ընդհանուր առմամբ կիրառելի է, և որ NPOPV սարքի PCE- ները կարող են մրցունակ լինել օրգանական լուծիչներից պատրաստված սարքերի հետ: Այնուամենայնիվ, այս ուսումնասիրությունները նաև բացահայտում են, որ նյութական տեսանկյունից NP- երը իրենց բոլորովին այլ կերպ են պահում օրգանական լուծիչներից պտտվող պոլիմերային խառնուրդներից: Արդյունավետորեն, ԱԷ-ն բոլորովին նոր նյութական համակարգ է, և որպես այդպիսին, OPV սարքերի պատրաստման հին կանոնները, որոնք սովորել են օրգանական հիմքով OPV սարքերի համար, այլևս չեն կիրառվում: Պոլիֆլորենի խառնուրդների վրա հիմնված NPOPV- ների դեպքում NP- ի մորֆոլոգիան հանգեցնում է սարքի արդյունավետության կրկնապատկման: Այնուամենայնիվ, պոլիմերի համար `ֆուլեռենի խառնուրդներ (օրինակ ՝ P3HT: PCBM և P3HT: ICBA), NP ֆիլմերում ձևաբանական ձևավորումը չափազանց բարդ է, և կարող են գերակշռել այլ գործոններ (օրինակ ՝ միջուկային դիֆուզիոն), ինչը կհանգեցնի սարքերի չկանխատեսված կառուցվածքների և արդյունավետության: Այս նյութերի ապագա հեռանկարը չափազանց խոստումնալից է, քանի որ սարքերի արդյունավետությունը 0.004% -ից աճել է մինչև 4% ՝ հինգ տարուց պակաս ժամանակահատվածում: Theարգացման հաջորդ փուլը ներառում է հասկանալ մեխանիզմները, որոնք որոշում են NP կառուցվածքը և NP ֆիլմի ձևաբանությունը և ինչպես դրանք կարող են վերահսկվել և օպտիմալացվել: Մինչ օրս նանոմասշտաբում OPV ակտիվ շերտերի մորֆոլոգիան վերահսկելու ունակությունը դեռ պետք է գիտակցված լինի: Այնուամենայնիվ, վերջին աշխատանքները ցույց են տալիս, որ NP նյութերի կիրառումը կարող է թույլ տալ հասնել այս նպատակին: