Solarfarbe - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

Eine besondere Farbe, die aus dem Sonnenlicht direkten Strom erzeugt.

Organische Photovoltaik (OPV) bietet enormes Potenzial als kostengünstige Beschichtungen, die direkt aus Sonnenlicht Strom erzeugen können. Diese Polymermischungsmaterialien können mit Rolle-zu-Rolle-Verarbeitungstechniken mit hohen Geschwindigkeiten über große Flächen gedruckt werden, wodurch die verlockende Vision entsteht, jedes Dach und jede andere geeignete Gebäudeoberfläche mit kostengünstiger Photovoltaik zu beschichten.

Schritt 1: Synthese von Nanopartikeln über den Miniemulsionsprozess

Die Nanopartikel-Herstellungsmethode nutzt Ultraschallenergie, die über ein Ultraschallhorn zugeführt wird, das in die Reaktionsmischung eingeführt wird, um eine Miniemulsion zu erzeugen (Abbildung oben). Das Ultraschallhorn ermöglicht durch Anwendung hoher Scherkräfte die Bildung von Tröpfchen im Submikrometerbereich. Eine flüssige wässrige Tensid-enthaltende Phase (polar) wird mit einer organischen Polymerphase, die in Chloroform (unpolar) gelöst ist, kombiniert, um eine Makroemulsion zu erzeugen, dann mit Ultraschall behandelt, um eine Miniemulsion zu bilden. Die Polymer-Chloroform-Tröpfchen bilden die dispergierte Phase mit einer wässrigen kontinuierlichen Phase. Dies ist eine Modifikation des üblichen Verfahrens zur Erzeugung von Polymernanopartikeln, bei denen die dispergierte Phase flüssiges Monomer war.

Unmittelbar nach der Miniemulgierung wird das Lösungsmittel durch Verdampfen aus den dispergierten Tröpfchen entfernt, wobei Polymer-Nanopartikel zurückbleiben. Die endgültige Nanopartikelgröße kann durch Ändern der Anfangskonzentration des Tensids in der wässrigen Phase variiert werden.

Schritt 2: Synthese von NPs über Fällungsmethoden

Als Alternative zum Miniemulsionsansatz bieten Fällungstechniken einen einfachen Weg zur Herstellung von halbleitenden Polymernanopartikeln durch Injektion einer Lösung des aktiven Materials in ein zweites Lösungsmittel mit geringer Löslichkeit.

Als solche ist die Synthese schnell, verwendet kein Tensid, erfordert kein Erhitzen (und daher kein Glühen der Nanopartikel vor der Herstellung) in der Nanopartikel-Synthesephase und kann leicht für die großtechnische Synthese von Materialien skaliert werden. Im Allgemeinen hat sich gezeigt, dass die Dispersionen eine geringere Stabilität aufweisen und eine Änderung der Zusammensetzung beim Stehen aufgrund der bevorzugten Ausfällung von Partikeln unterschiedlicher Zusammensetzung zeigen. Der Fällungsansatz bietet jedoch die Möglichkeit, die Nanopartikelsynthese als Teil eines aktiven Druckprozesses einzubinden, wobei Partikel nach Bedarf generiert werden. Darüber hinaus haben Hirsch et al. haben gezeigt, dass es durch sukzessive Lösungsmittelverdrängung möglich ist, invertierte Kern-Schale-Partikel zu synthetisieren, deren strukturelle Anordnung den inhärenten Oberflächenenergien der Materialien entgegenwirkt.

Schritt 3: Das PFB:F8BT Nanoparticulate Organic Photovoltaic (NPOPV) Materialsystem

Frühe Messungen der Leistungsumwandlungseffizienz von PFB:F8BT-Nanopartikel-Bauelementen unter Sonneneinstrahlung berichteten von Bauelementen mit Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 und Voc = 1,38 V, die (unter Annahme eines besten Schätzwerts des ungetemperten Füllfaktors (FF) von 0,28 aus Bulk-Blend-Geräten) entspricht einem PCE von 0,004 %.

Die einzigen anderen photovoltaischen Messungen von PFB:F8BT-Nanopartikel-Bauelementen waren externe Quanteneffizienz-(EQE)-Diagramme. Mehrschichtige photovoltaische Bauelemente aus PFB:F8BT-Nanopartikeln, die die höchsten Leistungsumwandlungseffizienzen zeigten, die für diese Polyfluoren-Nanopartikelmaterialien beobachtet wurden.

Diese Leistungssteigerung wurde durch die Kontrolle der Oberflächenenergien der einzelnen Komponenten in den Polymernanopartikeln und die Nachbehandlung der Polymernanopartikelschichten erreicht. Bezeichnenderweise zeigte diese Arbeit, dass die hergestellten nanopartikulären organischen Photovoltaik (NPOPV)-Bauelemente effizienter waren als die Standard-Blend-Bauelemente (Abbildung später).

Schritt 4: Abbildung

Vergleich der elektrischen Eigenschaften von Nanopartikel- und Bulk-Heterojunction-Bauelementen. (a) Variation der Stromdichte gegenüber der Spannung für ein fünfschichtiges PFB:F8BT (Poly(9,9-dioctylfluoren-co-N, N'-bis(4-butylphenyl)-N, N'-diphenyl-1, 4-Phenylendiamin) (PFB); Poly(9,9-dioctylfluoren-co-benzothiadiazole (F8BT)) Nanopartikel (ausgefüllte Kreise) und ein Bulk-Heterojunction-Gerät (leere Kreise) (b) Variation der externen Quanteneffizienz (EQE) vs Wellenlänge für eine fünfschichtige PFB:F8BT-Nanopartikel- (ausgefüllte Kreise) und eine Bulk-Heterojunction-Vorrichtung (leere Kreise) Ebenfalls gezeigt (gestrichelte Linie) ist die EQE-Darstellung für die Nanopartikel-Film-Vorrichtung.

Die Wirkung von Ca- und Al-Kathoden (zwei der gebräuchlichsten Elektrodenmaterialien) in OPV-Geräten basierend auf wässrigen Dispersionen von Polymernanopartikeln (NP) aus Polyfluorenmischungen. Sie zeigten, dass PFB:F8BT NPOPV-Bauelemente mit Al- und Ca/Al-Kathoden ein qualitativ sehr ähnliches Verhalten aufweisen, mit einem Spitzen-PCE von ~0,4% für Al und ~0,8% für Ca/Al, und dass es eine deutlich optimierte Dicke für die NP-Geräte (nächste Abbildung). Die optimale Dicke ist eine Folge der konkurrierenden physikalischen Effekte der Reparatur und Füllung von Defekten für dünne Filme [32, 33] und der Entwicklung von Spannungsrissen in dicken Filmen.

Die optimale Schichtdicke in diesen Geräten entspricht der kritischen Rissdicke (CCT), oberhalb derer Spannungsrisse auftreten, was zu einem geringen Nebenschlusswiderstand und einer Verringerung der Geräteleistung führt.

Schritt 5: Abbildung

Variation der Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) mit der Anzahl der abgeschiedenen Schichten für PFB:F8BT nanopartikuläre organische Photovoltaik (NPOPV)-Bauelemente, die mit einer Al-Kathode (ausgefüllte Kreise) und einer Ca/Al-Kathode (leere Kreise) hergestellt wurden. Gepunktete und gestrichelte Linien wurden hinzugefügt, um das Auge zu führen. Ein durchschnittlicher Fehler wurde basierend auf der Varianz für mindestens zehn Vorrichtungen für jede Anzahl von Schichten bestimmt.

F8BT-Bauelemente verstärken also die Exzitonendissoziation relativ zur entsprechenden BHJ-Struktur. Darüber hinaus führt die Verwendung einer Ca/Al-Kathode zur Erzeugung von Grenzflächenlückenzuständen (Abbildung später), die die Rekombination der durch die PFB in diesen Bauelementen erzeugten Ladungen reduzieren und die Leerlaufspannung auf das Niveau eines optimierten BHJ-Bauelements wiederherstellen, was zu einem PCE von annähernd 1% führt.

Schritt 6: Abbildung

Energieniveaudiagramme für PFB:F8BT-Nanopartikel in Gegenwart von Calcium. (a) Calcium diffundiert durch die Nanopartikeloberfläche; (b) Calcium dotiert die PFB-reiche Schale und erzeugt Lückenzustände. Der Elektronentransfer erfolgt von Kalzium, das gefüllte Lückenzustände erzeugt; (c) Ein auf PFB erzeugtes Exziton nähert sich dem dotierten PFB-Material (PFB*), und ein Loch geht in den Zustand der gefüllten Lücke über, wodurch ein energiereicheres Elektron erzeugt wird; (d) Der Elektronentransfer von einem auf F8BT erzeugten Exziton auf entweder das niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO) mit höherer Energie PFB oder das gefüllte PFB*-LUMO mit niedrigerer Energie wird behindert.

NP-OPV-Bauelemente aus wasserdispergierten P3HT:PCBM-Nanopartikeln mit Leistungsumwandlungseffizienzen (PCEs) von 1,30 % und externen Quanteneffizienzen (EQE) von 35 %. Im Gegensatz zum PFB:F8BT NPOPV-System waren die P3HT:PCBM NPOPV-Bausteine jedoch weniger effizient als ihre Bulk-Heterojunction-Gegenstücke. Rastertransmissions-Röntgenmikroskopie (STXM) ergab, dass die aktive Schicht eine hochstrukturierte NP-Morphologie beibehält und Kern-Schale-NPs umfasst, die aus einem relativ reinen PCBM-Kern und einer gemischten P3HT:PCBM-Schale bestehen (nächste Abbildung). Beim Tempern unterliegen diese NPOPV-Bauelemente jedoch einer starken Phasenseigerung und einer entsprechenden Abnahme der Bauelementleistung. Tatsächlich lieferte diese Arbeit eine Erklärung für die geringere Effizienz der getemperten P3HT:PCBM-OPV-Bauelemente, da die thermische Verarbeitung des NP-Films zu einer effektiv „übertemperten“Struktur mit starker Phasensegregation führt, wodurch Ladungserzeugung und -transport unterbrochen werden.

Schritt 7: Zusammenfassung der NPOPV-Leistung

Eine Zusammenfassung der in den letzten Jahren berichteten Leistung von NPOPV-Geräten ist in

Tisch. Aus der Tabelle geht klar hervor, dass die Leistung von NPOPV-Geräten mit einem Anstieg um drei Größenordnungen dramatisch zugenommen hat.

Schritt 8: Schlussfolgerungen und zukünftige Aussichten

Die jüngste Entwicklung wasserbasierter NPOPV-Beschichtungen stellt einen Paradigmenwechsel bei der Entwicklung kostengünstiger OPV-Geräte dar. Dieser Ansatz bietet gleichzeitig eine Kontrolle der Morphologie und macht flüchtige brennbare Lösungsmittel bei der Herstellung von Geräten überflüssig; zwei zentrale Herausforderungen der aktuellen OPV-Geräteforschung. Tatsächlich bietet die Entwicklung eines wasserbasierten Solarlacks die verlockende Aussicht, großflächige OPV-Geräte unter Verwendung jeder bestehenden Druckanlage zu drucken. Darüber hinaus wird zunehmend erkannt, dass die Entwicklung eines wasserbasierten druckbaren OPV-Systems sehr vorteilhaft wäre und dass die gegenwärtigen Materialsysteme auf Basis chlorierter Lösungsmittel nicht für eine Produktion im kommerziellen Maßstab geeignet sind. Die in dieser Übersicht beschriebene Arbeit zeigt, dass die neue NPOPV-Methodik allgemein anwendbar ist und dass NPOPV-Geräte-PCEs mit Geräten aus organischen Lösungsmitteln konkurrieren können. Diese Studien zeigen jedoch auch, dass sich NPs werkstofftechnisch völlig anders verhalten als aus organischen Lösungsmitteln gesponnene Polymerblends. Tatsächlich sind die NPs ein völlig neues Materialsystem, und als solches gelten die alten Regeln für die Herstellung von OPV-Bauelementen, die für organische OPV-Bauelemente erlernt wurden, nicht mehr. Bei NPOPVs auf Basis von Polyfluoren-Blends führt die NP-Morphologie zu einer Verdoppelung der Geräteeffizienz. Bei Polymer:Fulleren-Blends (z. B. P3HT:PCBM und P3HT:ICBA) ist die Morphologiebildung in den NP-Filmen jedoch sehr komplex, und andere Faktoren (wie die Kerndiffusion) können dominieren, was zu nicht optimierten Bauelementstrukturen und -effizienzen führt. Die Zukunftsaussichten für diese Materialien sind äußerst vielversprechend, da die Geräteeffizienzen in weniger als fünf Jahren von 0,004 % auf 4 % gestiegen sind. Die nächste Entwicklungsstufe umfasst das Verständnis der Mechanismen, die die NP-Struktur und die NP-Filmmorphologie bestimmen, und wie diese kontrolliert und optimiert werden können. Bis heute ist es noch nicht möglich, die Morphologie aktiver OPV-Schichten im Nanomaßstab zu kontrollieren. Neuere Arbeiten zeigen jedoch, dass dieses Ziel durch die Anwendung von NP-Materialien erreicht werden kann.