دهان شمسي: 8 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:39

دهان خاص ينتج كهرباء مباشرة من ضوء الشمس.

توفر الخلايا الكهروضوئية العضوية (OPVs) إمكانات هائلة كطلاءات غير مكلفة قادرة على توليد الكهرباء مباشرة من ضوء الشمس. يمكن طباعة مواد مزيج البوليمر هذه بسرعات عالية عبر مساحات كبيرة باستخدام تقنيات معالجة لفة إلى لفة ، مما يخلق رؤية محيرة لطلاء كل سقف وسطح مبنى مناسب آخر باستخدام الخلايا الكهروضوئية منخفضة التكلفة.

الخطوة 1: توليف NPs عبر عملية Miniemulsion

تستخدم طريقة تصنيع الجسيمات النانوية طاقة الموجات فوق الصوتية التي يتم توصيلها عبر قرن فوق صوتي يتم إدخاله في خليط التفاعل لتوليد مستحلب صغير (الشكل أعلاه). يجعل قرن الموجات فوق الصوتية تشكيل قطرات تحت الميكرومتر ممكنًا من خلال تطبيق قوة قص عالية. يتم دمج الطور السائل المحتوي على الفاعل بالسطح المائي (قطبي) مع طور عضوي من البوليمر المذاب في الكلوروفورم (غير قطبي) لتوليد مستحلب كبير ، ثم يتم تسويته بالموجات فوق الصوتية لتشكيل مستحلب صغير. تشكل قطرات البوليمر الكلوروفورم الطور المشتت مع الطور المائي المستمر. هذا تعديل للطريقة المعتادة لتوليد جزيئات البوليمر النانوية حيث تكون المرحلة المشتتة عبارة عن مونومر سائل.

مباشرة بعد الاستحلاب المصغر ، تتم إزالة المذيب من القطرات المشتتة عن طريق التبخر ، تاركًا جزيئات البوليمر النانوية. يمكن تغيير حجم الجسيمات النانوية النهائية عن طريق تغيير التركيز الأولي للمادة الخافضة للتوتر السطحي في المرحلة المائية.

الخطوة 2: توليف NPs عبر طرق الترسيب

كبديل لنهج المستحلب المصغر ، تقدم تقنيات الترسيب طريقًا بسيطًا لإنتاج جزيئات البوليمر النانوية شبه الموصلة عن طريق حقن محلول من مادة فعالة في مذيب ثانٍ ضعيف الذوبان.

على هذا النحو ، فإن التوليف سريع ، ولا يستخدم الفاعل بالسطح ، ولا يحتاج إلى تسخين (وبالتالي ، لا تلدين مسبق للجسيمات النانوية) في مرحلة تخليق الجسيمات النانوية ويمكن بسهولة توسيع نطاقه من أجل تخليق المواد على نطاق واسع. بشكل عام ، تبين أن التشتت لديها ثبات أقل وتظهر تغيرًا تركيبيًا عند الوقوف بسبب الترسيب التفضيلي للجسيمات ذات التكوين المختلف. ومع ذلك ، فإن نهج الترسيب يوفر فرصة لإدراج تركيب الجسيمات النانوية كجزء من عملية الطباعة النشطة ، مع إنشاء الجسيمات عند الاقتضاء. علاوة على ذلك ، هيرش وآخرون. أظهر أنه من خلال إزاحة المذيبات المتتالية ، من الممكن تخليق جزيئات قلب-قشرة مقلوبة حيث يكون الترتيب الهيكلي مضادًا لطاقات السطح المتأصلة في المواد.

الخطوة 3: نظام المواد PFB: F8BT الجسيمات النانوية العضوية الضوئية (NPOPV)

القياسات المبكرة لكفاءة تحويل الطاقة لـ PFB: تم الإبلاغ عن أجهزة الجسيمات النانوية F8BT تحت الإضاءة الشمسية عن الأجهزة ذات J = 1 × 10 −5 A سم ^ −2 و Voc = 1.38 V ، والتي (بافتراض أفضل تقدير عامل تعبئة غير معلوم (FF) من 0.28 من أجهزة المزج بالجملة) يتوافق مع PCE بنسبة 0.004٪.

كانت القياسات الكهروضوئية الأخرى الوحيدة لأجهزة الجسيمات النانوية PFB: F8BT عبارة عن مخططات كفاءة كمومية خارجية (EQE). الأجهزة الكهروضوئية متعددة الطبقات المصنعة من الجسيمات النانوية PFB: F8BT ، والتي أظهرت أعلى كفاءات تحويل الطاقة التي لوحظت لهذه المواد النانوية متعددة الفلور.

تم تحقيق هذا الأداء المتزايد من خلال التحكم في الطاقات السطحية للمكونات الفردية في الجسيمات النانوية للبوليمر ومعالجة ما بعد الترسيب لطبقات الجسيمات النانوية من البوليمر. بشكل ملحوظ ، أظهر هذا العمل أن الأجهزة الكهروضوئية العضوية النانوية الملفقة (NPOPV) كانت أكثر كفاءة من أجهزة المزج القياسية (الشكل لاحقًا).

الخطوة 4: الشكل

مقارنة بين الخصائص الكهربائية للجسيمات النانوية والأجهزة غير المتجانسة. (أ) تباين كثافة التيار مقابل الجهد لخمس طبقات من PFB: F8BT (بولي (9 ، 9-ثنائي أوكتيل فلورين-كو-إن ، N'-bis (4-بيوتيل فينيل) -N ، N'-diphenyl-1 ، 4-phenylenediamine) (PFB) ؛ بولي (9 ، 9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole (F8BT)) جسيمات نانوية (دوائر مملوءة) وجهاز غير متجانس (دوائر مفتوحة) ؛ (ب) تباين كفاءة الكم الخارجية (EQE) مقابل الطول الموجي لخمس طبقات من الجسيمات النانوية PFB: F8BT (دوائر ممتلئة) وجهاز غير متجانسة (دوائر مفتوحة) ، كما يظهر (الخط المتقطع) مخطط EQE لجهاز الفيلم النانوي.

تأثير Ca و Al كاثودات (اثنان من أكثر مواد الأقطاب الكهربائية شيوعًا) في أجهزة OPV على أساس تشتت جزيئات البوليمر المائية الممزوجة بالبوليمر النانوي (NP). لقد أظهروا أن أجهزة PFB: F8BT NPOPV ذات كاثودات Al و Ca / Al تظهر سلوكًا مشابهًا جدًا من الناحية النوعية ، مع ذروة PCE تبلغ 0.4 ٪ تقريبًا لـ Al و ~ 0.8 ٪ لـ Ca / Al ، وأن هناك سمكًا محسنًا مميزًا لـ أجهزة NP (الشكل التالي). السماكة المثلى هي نتيجة للتأثيرات الفيزيائية المتنافسة لإصلاح العيوب وملءها للأغشية الرقيقة [32 ، 33] وتطور تشقق الضغط في الأغشية السميكة.

تتوافق سماكة الطبقة المثلى في هذه الأجهزة مع سماكة التكسير الحرجة (CCT) التي يحدث فوقها تشقق الضغط ، مما يؤدي إلى انخفاض مقاومة التحويل وانخفاض في أداء الجهاز.

الخطوة 5: الشكل

تباين كفاءة تحويل الطاقة (PCE) مع عدد الطبقات المترسبة لـ PFB: أجهزة الخلايا الكهروضوئية العضوية النانوية F8BT (NPOPV) المُصنَّعة باستخدام كاثود Al (دوائر مملوءة) وكاثود Ca / Al (دوائر مفتوحة). تمت إضافة الخطوط المنقطة والمتقطعة لتوجيه العين. تم تحديد متوسط الخطأ بناءً على التباين لما لا يقل عن عشرة أجهزة لكل عدد من الطبقات.

لذلك ، تعمل أجهزة F8BT على تعزيز تفكك الإكسيتون بالنسبة لهيكل BHJ المقابل. علاوة على ذلك ، ينتج عن استخدام Ca / Al الكاثود إنشاء حالات فجوة بينية (الشكل لاحقًا) ، مما يقلل من إعادة تركيب الشحنات الناتجة عن PFB في هذه الأجهزة ويعيد جهد الدائرة المفتوحة إلى المستوى الذي تم الحصول عليه لجهاز BHJ الأمثل ، مما أدى إلى اقتراب PCE من 1٪.

الخطوة 6: الشكل

مخططات مستوى الطاقة لـ PFB: الجسيمات النانوية F8BT في وجود الكالسيوم. (أ) الكالسيوم ينتشر عبر سطح الجسيمات النانوية ؛ (ب) يقوم الكالسيوم بتثبيط الغلاف الغني بـ PFB ، مما ينتج عنه حالات فجوة. يحدث نقل الإلكترون من حالات الفجوة المملوءة المنتجة للكالسيوم ؛ (ج) يقترب الإكسيتون المتولد على PFB من مادة PFB المخدرة (PFB *) ، وينتقل الثقب إلى حالة الفجوة المملوءة ، مما ينتج عنه إلكترونًا أكثر نشاطًا ؛ (د) يتم إعاقة نقل الإلكترون من الإكسيتون المتولد على F8BT إلى المدار الجزيئي PFB ذو الطاقة الأعلى الأقل (LUMO) أو الطاقة المنخفضة المملوءة PFB * LUMO.

أجهزة NP-OPV المُصنَّعة من P3HT المشتت بالماء: جسيمات نانوية PCBM أظهرت كفاءة تحويل الطاقة (PCEs) بنسبة 1.30٪ وذروة كفاءة الكم الخارجية (EQE) بنسبة 35٪. ومع ذلك ، على عكس نظام PFB: F8BT NPOPV ، كانت أجهزة P3HT: PCBM NPOPV أقل كفاءة من نظيراتها غير المتجانسة. كشف الفحص المجهري للأشعة السينية الناقلة (STXM) أن الطبقة النشطة تحتفظ بمورفولوجيا NP شديدة التنظيم وتتألف من نواة أساسية للقشرة تتكون من نواة PCBM نقية نسبيًا و P3HT: غلاف PCBM (الشكل التالي). ومع ذلك ، عند التلدين ، تخضع أجهزة NPOPV هذه لفصل طوري واسع النطاق وانخفاض مقابل في أداء الجهاز. في الواقع ، قدم هذا العمل تفسيرًا للكفاءة المنخفضة لأجهزة P3HT: PCBM OPV الملدنة ، نظرًا لأن المعالجة الحرارية لفيلم NP تؤدي إلى بنية "شديدة التلدين" بشكل فعال مع حدوث فصل إجمالي في الطور ، وبالتالي تعطيل توليد الشحنة ونقلها.

الخطوة 7: ملخص أداء NPOPV

يتم تقديم ملخص لأداء أجهزة NPOPV التي تم الإبلاغ عنها خلال السنوات القليلة الماضية في

طاولة. يتضح من الجدول أن أداء أجهزة NPOPV قد زاد بشكل كبير ، مع ارتفاع ثلاثة أوامر من حيث الحجم.

الخطوة الثامنة: الاستنتاجات والنظرة المستقبلية

يمثل التطوير الأخير لطلاءات NPOPV القائمة على الماء نقلة نوعية في تطوير أجهزة OPV منخفضة التكلفة. يوفر هذا النهج في وقت واحد التحكم في التشكل ويلغي الحاجة إلى المذيبات القابلة للاشتعال المتطايرة في إنتاج الجهاز ؛ تحديين رئيسيين لأبحاث جهاز OPV الحالي. في الواقع ، يوفر تطوير الطلاء الشمسي الذي يعتمد على الماء احتمالًا محيرًا لطباعة أجهزة OPV ذات المساحة الكبيرة باستخدام أي مرفق طباعة موجود. علاوة على ذلك ، من المسلم به بشكل متزايد أن تطوير نظام OPV القابل للطباعة المستند إلى الماء سيكون مفيدًا للغاية وأن أنظمة المواد الحالية القائمة على المذيبات المكلورة ليست مناسبة للإنتاج التجاري. يوضح العمل الموصوف في هذه المراجعة أن منهجية NPOPV الجديدة قابلة للتطبيق بشكل عام وأن أجهزة PCE الخاصة بجهاز NPOPV يمكن أن تكون قادرة على المنافسة مع الأجهزة المبنية من المذيبات العضوية. ومع ذلك ، تكشف هذه الدراسات أيضًا أنه ، من وجهة نظر المواد ، تتصرف NPs بشكل مختلف تمامًا عن خلائط البوليمر التي تم نسجها من المذيبات العضوية. على نحو فعال ، تعد NPs نظامًا جديدًا تمامًا للمواد ، وعلى هذا النحو ، فإن القواعد القديمة لتصنيع جهاز OPV التي تم تعلمها لأجهزة OPV القائمة على العضوية لم تعد سارية. في حالة NPOPVs المستندة إلى مزيج البولي فلورين ، ينتج عن مورفولوجيا NP مضاعفة كفاءة الجهاز. ومع ذلك ، بالنسبة للبوليمر: مزيج الفوليرين (على سبيل المثال ، P3HT: PCBM و P3HT: ICBA) ، يكون تكوين التشكل في أغشية NP معقدًا للغاية ، ويمكن أن تهيمن العوامل الأخرى (مثل الانتشار الأساسي) ، مما يؤدي إلى هياكل وكفاءات غير محسنة للجهاز. إن النظرة المستقبلية لهذه المواد واعدة للغاية ، حيث زادت كفاءة الجهاز من 0.004٪ إلى 4٪ في أقل من خمس سنوات. ستشمل المرحلة التالية من التطوير فهم الآليات التي تحدد هيكل NP ومورفولوجيا فيلم NP وكيف يمكن التحكم فيها وتحسينها. حتى الآن ، لم تتحقق بعد القدرة على التحكم في مورفولوجيا الطبقات النشطة لـ OPV على المقياس النانوي. ومع ذلك ، يوضح العمل الأخير أن تطبيق مواد NP قد يسمح بتحقيق هذا الهدف.