Sơn năng lượng mặt trời: 8 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Một loại sơn đặc biệt tạo ra điện trực tiếp từ ánh sáng mặt trời.

Quang điện hữu cơ (OPV) mang lại tiềm năng to lớn như các lớp phủ rẻ tiền có khả năng tạo ra điện trực tiếp từ ánh sáng mặt trời. Các vật liệu polyme blend này có thể được in ở tốc độ cao trên các khu vực rộng lớn bằng cách sử dụng kỹ thuật xử lý cuộn đến cuộn, tạo ra tầm nhìn hấp dẫn về việc phủ mọi mái nhà và bề mặt tòa nhà phù hợp khác bằng quang điện chi phí thấp.

Bước 1: Tổng hợp NP thông qua quá trình thu nhỏ

Phương pháp chế tạo hạt nano sử dụng năng lượng siêu âm được truyền qua một sừng siêu âm được đưa vào hỗn hợp phản ứng để tạo ra một loại nhũ tương nhỏ (Hình trên). Sừng siêu âm giúp hình thành các giọt nhỏ hơn micromet bằng cách tác dụng lực cắt cao. Pha lỏng chứa chất hoạt động bề mặt (phân cực) được kết hợp với pha hữu cơ của polyme hòa tan trong cloroform (không phân cực) để tạo ra nhũ tương lớn, sau đó được siêu âm để tạo thành nhũ tương nhỏ. Các giọt polyme cloroform tạo thành pha phân tán với pha nước liên tục. Đây là một sửa đổi của phương pháp thông thường để tạo ra các hạt nano polyme trong đó pha phân tán là monome lỏng.

Ngay sau khi tạo nhũ tương nhỏ, dung môi được loại bỏ khỏi các giọt phân tán thông qua bay hơi, để lại các hạt nano polyme. Kích thước hạt nano cuối cùng có thể thay đổi bằng cách thay đổi nồng độ ban đầu của chất hoạt động bề mặt trong pha nước.

Bước 2: Tổng hợp các NP thông qua các phương pháp tạo mưa

Là một giải pháp thay thế cho cách tiếp cận miniemulsion, kỹ thuật kết tủa cung cấp một lộ trình đơn giản để sản xuất các hạt nano polyme bán dẫn thông qua việc tiêm dung dịch vật liệu hoạt động vào dung môi thứ hai có độ hòa tan kém.

Do đó, quá trình tổng hợp diễn ra nhanh chóng, không sử dụng chất hoạt động bề mặt, không cần gia nhiệt (và do đó, không ủ đúc sẵn các hạt nano) trong giai đoạn tổng hợp hạt nano và có thể dễ dàng mở rộng quy mô để tổng hợp vật liệu ở quy mô lớn. Nói chung, các chất phân tán đã được chứng minh là có độ ổn định thấp hơn và thể hiện sự thay đổi thành phần khi đứng yên do sự kết tủa ưu tiên của các hạt có thành phần khác nhau. Tuy nhiên, phương pháp kết tủa mang lại cơ hội để đưa quá trình tổng hợp hạt nano vào trong quá trình in tích cực, với các hạt được tạo ra khi và khi được yêu cầu. Hơn nữa, Hirsch et al. đã chỉ ra rằng bằng cách dịch chuyển dung môi liên tiếp, có thể tổng hợp các hạt lõi-vỏ đảo ngược trong đó sự sắp xếp cấu trúc ngược với năng lượng bề mặt vốn có của vật liệu.

Bước 3: Hệ thống vật liệu quang điện hữu cơ phân tử nano PFB: F8BT (NPOPV)

Các phép đo ban đầu về hiệu suất chuyển đổi năng lượng của thiết bị hạt nano PFB: F8BT dưới ánh sáng mặt trời được báo cáo là thiết bị có Jsc = 1 × 10 −5 A cm ^ −2 và Voc = 1,38 V, (giả sử ước tính tốt nhất hệ số lấp đầy không cần thiết (FF) 0,28 từ các thiết bị trộn số lượng lớn) tương ứng với PCE là 0,004%.

Các phép đo quang điện duy nhất khác của thiết bị hạt nano PFB: F8BT là đồ thị hiệu suất lượng tử bên ngoài (EQE). Các thiết bị quang điện nhiều lớp được chế tạo từ các hạt nano PFB: F8BT, chứng tỏ hiệu suất chuyển đổi điện năng cao nhất quan sát được đối với các vật liệu hạt nano polyfluorene này.

Hiệu suất gia tăng này đạt được thông qua việc kiểm soát năng lượng bề mặt của các thành phần riêng lẻ trong hạt nano polyme và quá trình xử lý sau lắng đọng của các lớp hạt nano polyme. Đáng chú ý, công trình nghiên cứu này cho thấy rằng các thiết bị quang điện hữu cơ có phân tử nano (NPOPV) được chế tạo có hiệu quả hơn các thiết bị pha trộn tiêu chuẩn (Hình sau).

Bước 4: Hình

So sánh các đặc tính điện của thiết bị dị liên kết hạt nano và khối lượng lớn. (a) Sự biến đổi của mật độ dòng điện so với điện áp đối với PFB năm lớp: 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 (vòng tròn lấp đầy) và thiết bị dị liên kết số lượng lớn (vòng tròn mở); (b) Sự biến đổi của hiệu suất lượng tử bên ngoài (EQE) vs. bước sóng cho thiết bị phủ nano PFB: F8BT năm lớp (vòng tròn lấp đầy) và thiết bị dị liên kết số lượng lớn (vòng tròn mở). Cũng được hiển thị (đường đứt nét) là biểu đồ EQE cho thiết bị phim phân tử nano.

Hiệu ứng của catốt Ca và Al (hai trong số các vật liệu điện cực phổ biến nhất) trong các thiết bị OPV dựa trên sự phân tán hạt nano polyme trong nước polyfluorene pha trộn (NP). Họ đã chỉ ra rằng các thiết bị NPOPV PFB: F8BT có cực âm Al và Ca / Al thể hiện hành vi rất giống nhau về mặt chất lượng, với PCE cao nhất là ~ 0,4% đối với Al và ~ 0,8% đối với Ca / Al và có độ dày được tối ưu hóa riêng biệt cho Các thiết bị NP (Hình tiếp theo). Độ dày tối ưu là hệ quả của các tác động vật lý cạnh tranh của việc sửa chữa và lấp đầy các khuyết tật đối với màng mỏng [32, 33] và sự phát triển của nứt ứng suất trong màng dày.

Độ dày lớp tối ưu trong các thiết bị này tương ứng với độ dày nứt tới hạn (CCT) mà trên đó xảy ra nứt do ứng suất, dẫn đến khả năng chịu shunt thấp và giảm hiệu suất của thiết bị.

Bước 5: Hình

Sự biến thiên của hiệu suất chuyển đổi công suất (PCE) với số lớp lắng đọng đối với thiết bị quang điện hữu cơ nano PFB: F8BT được chế tạo với catốt Al (các vòng tròn đầy) và catốt Ca / Al (các vòng tròn hở). Các đường chấm và nét đứt đã được thêm vào để dẫn hướng cho mắt. Một lỗi trung bình đã được xác định dựa trên phương sai cho tối thiểu mười thiết bị cho mỗi số lớp.

Vì vậy, các thiết bị F8BT tăng cường sự phân ly exciton so với cấu trúc BHJ tương ứng. Hơn nữa, việc sử dụng catốt Ca / Al dẫn đến việc tạo ra các trạng thái khe hở giao diện (Hình sau), làm giảm sự kết hợp lại các điện tích do PFB tạo ra trong các thiết bị này và khôi phục điện áp mạch hở về mức thu được đối với thiết bị BHJ được tối ưu hóa, dẫn đến PCE đạt tới 1%.

Bước 6: Hình

Biểu đồ mức năng lượng cho các hạt nano PFB: F8BT với sự có mặt của canxi. (a) Canxi khuếch tán qua bề mặt hạt nano; (b) Canxi che phủ lớp vỏ giàu PFB, tạo ra trạng thái khoảng trống. Sự chuyển electron xảy ra từ canxi tạo ra các trạng thái khoảng trống được lấp đầy; (c) Một exciton được tạo ra trên PFB tiếp cận vật liệu PFB pha tạp (PFB *), và một lỗ trống chuyển sang trạng thái khoảng trống được lấp đầy, tạo ra một điện tử năng lượng hơn; (d) Sự chuyển điện tử từ một exciton được tạo ra trên F8BT đến orbital phân tử không có năng lượng thấp nhất PFB thấp nhất (LUMO) hoặc PFB * LUMO có năng lượng thấp hơn được lấp đầy bị cản trở.

Thiết bị NP-OPV được chế tạo từ P3HT phân tán trong nước: các hạt nano PCBM thể hiện hiệu suất chuyển đổi điện năng (PCE) là 1,30% và hiệu suất lượng tử bên ngoài cao nhất (EQE) là 35%. Tuy nhiên, không giống như hệ thống PFB: F8BT NPOPV, các thiết bị NPOPV P3HT: PCBM kém hiệu quả hơn so với các thiết bị dị liên kết số lượng lớn của chúng. Kính hiển vi tia X truyền quét (STXM) cho thấy rằng lớp hoạt động vẫn giữ được hình thái NP có cấu trúc cao và bao gồm các NP lõi-vỏ bao gồm lõi PCBM tương đối tinh khiết và P3HT: vỏ PCBM được pha trộn (Hình tiếp theo). Tuy nhiên, khi ủ, các thiết bị NPOPV này trải qua quá trình phân tách pha rộng rãi và hiệu suất thiết bị giảm tương ứng. Thật vậy, công trình này đã đưa ra lời giải thích cho hiệu suất thấp hơn của các thiết bị P3HT: PCBM OPV được ủ, vì quá trình xử lý nhiệt của màng NP dẫn đến một cấu trúc “quá ủ” hiệu quả với sự phân tách pha tổng xảy ra, do đó làm gián đoạn quá trình tạo và vận chuyển điện tích.

Bước 7: Tóm tắt Hiệu suất NPOPV

Tóm tắt về hiệu suất của các thiết bị NPOPV được báo cáo trong vài năm qua được trình bày trong

Bàn. Rõ ràng là từ bảng này, hiệu suất của các thiết bị NPOPV đã tăng lên đáng kể, với mức tăng ba bậc.

Bước 8: Kết luận và Triển vọng tương lai

Sự phát triển gần đây của lớp phủ NPOPV dựa trên nước thể hiện một sự thay đổi mô hình trong việc phát triển các thiết bị OPV giá rẻ. Cách tiếp cận này đồng thời cung cấp khả năng kiểm soát hình thái và loại bỏ nhu cầu về dung môi dễ cháy dễ bay hơi trong sản xuất thiết bị; hai thách thức chính của nghiên cứu thiết bị OPV hiện tại. Thật vậy, sự phát triển của sơn năng lượng mặt trời gốc nước mang đến triển vọng in ấn các thiết bị OPV diện tích lớn bằng cách sử dụng bất kỳ cơ sở in hiện có nào. Hơn nữa, người ta ngày càng nhận ra rằng việc phát triển hệ thống OPV có thể in được dựa trên nước sẽ có lợi thế cao và các hệ thống vật liệu hiện tại dựa trên dung môi clo không phù hợp cho sản xuất quy mô thương mại. Công việc được mô tả trong bài đánh giá này cho thấy rằng phương pháp luận NPOPV mới thường có thể áp dụng được và các PCE của thiết bị NPOPV có thể cạnh tranh với các thiết bị được chế tạo từ dung môi hữu cơ. Tuy nhiên, những nghiên cứu này cũng tiết lộ rằng, từ quan điểm vật liệu, NP hoạt động hoàn toàn khác với hỗn hợp polyme được kéo thành từ dung môi hữu cơ. Về mặt hiệu quả, NP là một hệ thống vật liệu hoàn toàn mới, và do đó, các quy tắc cũ về chế tạo thiết bị OPV đã được học cho các thiết bị OPV dựa trên chất hữu cơ không còn được áp dụng nữa. Trong trường hợp NPOPVs dựa trên hỗn hợp polyfluorene, hình thái NP dẫn đến tăng gấp đôi hiệu quả của thiết bị. Tuy nhiên, đối với hỗn hợp polyme: fullerene (ví dụ, P3HT: PCBM và P3HT: ICBA), sự hình thành hình thái trong màng NP rất phức tạp và các yếu tố khác (chẳng hạn như khuếch tán lõi) có thể chiếm ưu thế, dẫn đến cấu trúc và hiệu quả của thiết bị không được tối ưu hóa. Triển vọng tương lai cho những vật liệu này là vô cùng hứa hẹn, với hiệu suất của thiết bị đã tăng từ 0,004% lên 4% trong vòng chưa đầy 5 năm. Giai đoạn phát triển tiếp theo sẽ liên quan đến việc tìm hiểu các cơ chế xác định cấu trúc NP và hình thái màng NP và cách có thể kiểm soát và tối ưu hóa các cơ chế này. Cho đến nay, khả năng kiểm soát hình thái của các lớp hoạt động OPV trên quy mô nano vẫn chưa được thực hiện. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây chứng minh rằng việc áp dụng vật liệu NP có thể cho phép đạt được mục tiêu này.