สีแสงอาทิตย์: 8 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:06

เป็นสีที่ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยตรงจากแสงแดด

เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ (OPV) มีศักยภาพมหาศาลเนื่องจากสารเคลือบราคาไม่แพงซึ่งสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้โดยตรงจากแสงแดด วัสดุผสมโพลีเมอร์เหล่านี้สามารถพิมพ์ด้วยความเร็วสูงในพื้นที่ขนาดใหญ่โดยใช้เทคนิคการประมวลผลแบบม้วนต่อม้วน สร้างวิสัยทัศน์ที่เย้ายวนใจในการเคลือบทุกหลังคาและพื้นผิวอาคารที่เหมาะสมอื่นๆ ด้วยเซลล์แสงอาทิตย์ต้นทุนต่ำ

ขั้นตอนที่ 1: การสังเคราะห์ NPs ผ่านกระบวนการมินิอิมัลชัน

วิธีการประดิษฐ์อนุภาคนาโนใช้พลังงานอัลตราซาวนด์ที่ส่งผ่านฮอร์นอัลตราซาวนด์ที่ใส่เข้าไปในส่วนผสมของปฏิกิริยาเพื่อสร้างมินิอิมัลชัน (Figure above) ฮอร์นอัลตราซาวนด์ทำให้การก่อตัวของหยดย่อยไมโครมิเตอร์เป็นไปได้โดยการใช้แรงเฉือนสูง เฟสที่มีสารลดแรงตึงผิวที่เป็นของเหลว (ขั้ว) ถูกรวมเข้ากับเฟสอินทรีย์ของพอลิเมอร์ที่ละลายในคลอโรฟอร์ม (ไม่มีขั้ว) เพื่อสร้างมาโครอิมัลชัน จากนั้นจึงสร้างอัลตราโซนิกให้เป็นมินิอิมัลชัน หยดพอลิเมอร์คลอโรฟอร์มประกอบด้วยเฟสที่กระจายตัวด้วยเฟสต่อเนื่องที่เป็นน้ำ นี่คือการปรับเปลี่ยนวิธีการปกติสำหรับการสร้างอนุภาคนาโนของพอลิเมอร์ โดยที่เฟสที่กระจัดกระจายเป็นโมโนเมอร์เหลว

ทันทีหลังการทำมินิมัลซิฟิเคชั่น ตัวทำละลายจะถูกลบออกจากหยดละอองที่กระจายตัวผ่านการระเหย เหลือไว้เป็นอนุภาคนาโนของพอลิเมอร์ ขนาดอนุภาคนาโนสุดท้ายสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการเปลี่ยนความเข้มข้นเริ่มต้นของสารลดแรงตึงผิวในระยะที่เป็นน้ำ

ขั้นตอนที่ 2: การสังเคราะห์ NPs ด้วยวิธีตกตะกอน

อีกทางเลือกหนึ่งสำหรับวิธีการมินิอิมัลชัน เทคนิคการตกตะกอนเป็นแนวทางง่ายๆ ในการผลิตอนุภาคนาโนพอลิเมอร์เซมิคอนดักเตอร์ผ่านการฉีดสารละลายของวัสดุออกฤทธิ์ลงในตัวทำละลายที่สองที่มีความสามารถในการละลายต่ำ

ด้วยเหตุนี้ การสังเคราะห์จึงรวดเร็ว ไม่ใช้สารลดแรงตึงผิว ไม่ต้องใช้ความร้อน (ดังนั้นจึงไม่มีการหลอมอนุภาคนาโนแบบสำเร็จรูป) ในขั้นตอนสังเคราะห์อนุภาคนาโน และสามารถปรับขนาดขึ้นได้อย่างง่ายดายสำหรับการสังเคราะห์วัสดุขนาดใหญ่ โดยทั่วไป การกระจายตัวได้รับการแสดงว่ามีความคงตัวที่ต่ำกว่าและแสดงการเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบเมื่ออยู่เนื่องจากการตกตะกอนที่พิเศษของอนุภาคที่มีองค์ประกอบต่างกัน อย่างไรก็ตาม วิธีการตกตะกอนเปิดโอกาสให้รวมการสังเคราะห์อนุภาคนาโนเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการพิมพ์ที่ใช้งานอยู่ โดยอนุภาคจะถูกสร้างขึ้นเมื่อจำเป็น นอกจากนี้ Hirsch และคณะ ได้แสดงให้เห็นว่าโดยการเปลี่ยนตำแหน่งตัวทำละลายอย่างต่อเนื่อง เป็นไปได้ที่จะสังเคราะห์อนุภาคของเปลือกแกนหลักกลับหัว โดยที่การจัดโครงสร้างนั้นขัดแย้งกับพลังงานพื้นผิวโดยธรรมชาติของวัสดุ

ขั้นตอนที่ 3: ระบบวัสดุ PFB:F8BT นาโนโพลปลิ้งอินทรีย์โฟโตโวลตาอิก (NPOPV)

การวัดประสิทธิภาพการแปลงพลังงานในระยะเริ่มต้นของอุปกรณ์อนุภาคนาโน PFB:F8BT ภายใต้แสงจากแสงอาทิตย์รายงานอุปกรณ์ที่มี Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 และ Voc = 1.38 V ซึ่ง (สมมติว่าค่าประมาณการเติมปัจจัยการเติมที่ไม่ผ่านการอบ (FF) ที่ดีที่สุด) 0.28 จากอุปกรณ์ผสมจำนวนมาก) สอดคล้องกับ PCE ที่ 0.004%

การวัดค่าโฟโตโวลตาอิกอื่นๆ ของอุปกรณ์อนุภาคนาโน PFB:F8BT คือพล็อตประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก (EQE) อุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์แบบหลายชั้นที่ประดิษฐ์จากอนุภาคนาโน PFB:F8BT ซึ่งแสดงประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงสุดที่สังเกตพบสำหรับวัสดุอนุภาคนาโนโพลีฟลูออรีนเหล่านี้

ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นนี้ทำได้โดยการควบคุมพลังงานพื้นผิวของส่วนประกอบแต่ละส่วนในอนุภาคนาโนของโพลีเมอร์และการประมวลผลภายหลังการสะสมของชั้นอนุภาคนาโนของโพลีเมอร์ อย่างมีนัยสำคัญ งานนี้แสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์อินทรีย์อนุภาคขนาดนาโนที่ประดิษฐ์ขึ้น (NPOPV) มีประสิทธิภาพมากกว่าอุปกรณ์ผสมมาตรฐาน (Figure later)

ขั้นตอนที่ 4: รูป

การเปรียบเทียบลักษณะทางไฟฟ้าของอนุภาคนาโนและอุปกรณ์แยกส่วนต่างชนิดกัน (a) ความแปรผันของความหนาแน่นกระแสเทียบกับแรงดันไฟสำหรับ PFB ห้าชั้น:F8BT (โพลี(9, 9-dioctylfluorene-co-N, N'-bis(4-butylphenyl)-N, N'-diphenyl-1, 4-phenylenediamine) (PFB); โพลี (9, 9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole (F8BT)) อนุภาคนาโน (วงกลมเต็ม) และอุปกรณ์ heterojunction (วงกลมเปิด) จำนวนมาก (b) การเปลี่ยนแปลงของประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก (EQE) เทียบกับ ความยาวคลื่นสำหรับอนุภาคนาโน PFB:F8BT ห้าชั้น (วงกลมเต็ม) และอุปกรณ์ heterojunction (วงกลมเปิด) จำนวนมาก นอกจากนี้ยังแสดง (เส้นประ) เป็นพล็อต EQE สำหรับอุปกรณ์ฟิล์มนาโน

ผลของแคโทด Ca และ Al (วัสดุอิเล็กโทรดที่พบบ่อยที่สุดสองชนิด) ในอุปกรณ์ OPV ที่อิงจากการกระจายตัวของอนุภาคนาโนพอลิเมอร์ในน้ำผสมโพลีฟลูออรีน (NP) พวกเขาแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์ PFB:F8BT NPOPV ที่มีแคโทด Al และ Ca/Al มีพฤติกรรมที่คล้ายกันในเชิงคุณภาพ โดยมีค่า PCE สูงสุดที่ ~0.4% สำหรับ Al และ ~0.8% สำหรับ Ca/Al และมีความหนาที่เหมาะสมที่สุดอย่างชัดเจนสำหรับ อุปกรณ์ NP (รูปถัดไป) ความหนาที่เหมาะสมเป็นผลสืบเนื่องมาจากผลกระทบทางกายภาพที่แข่งขันกันของการซ่อมแซมและการเติมข้อบกพร่องสำหรับฟิล์มบาง [32, 33] และการพัฒนาของการแตกความเครียดในฟิล์มหนา

ความหนาของชั้นที่เหมาะสมที่สุดในอุปกรณ์เหล่านี้สอดคล้องกับความหนาของรอยแตกที่สำคัญ (CCT) ซึ่งอยู่เหนือซึ่งเกิดการแตกร้าวจากความเค้น ส่งผลให้มีความต้านทานการแบ่งต่ำและประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลดลง

ขั้นตอนที่ 5: รูป

ความแปรผันของประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน (PCE) กับจำนวนชั้นที่ฝากไว้สำหรับอุปกรณ์ PFB:F8BT นาโนอินทรีย์โฟโตโวลตาอิก (NPOPV) ที่ประดิษฐ์ด้วยอัลแคโทด (วงกลมที่เติม) และแคโทด Ca/Al (วงกลมเปิด) มีการเพิ่มเส้นประและเส้นประเพื่อนำทางดวงตา มีการกำหนดข้อผิดพลาดโดยเฉลี่ยโดยพิจารณาจากความแปรปรวนสำหรับอุปกรณ์อย่างน้อยสิบเครื่องสำหรับแต่ละจำนวนเลเยอร์

ดังนั้น อุปกรณ์ F8BT ช่วยเพิ่มการแยกตัวของ exciton ที่สัมพันธ์กับโครงสร้าง BHJ ที่สอดคล้องกัน นอกจากนี้ การใช้แคโทด Ca/Al ส่งผลให้เกิดการสร้างสถานะช่องว่างระหว่างใบหน้า (Figure later) ซึ่งช่วยลดการรวมตัวของประจุที่สร้างขึ้นโดย PFB ในอุปกรณ์เหล่านี้ และคืนค่าแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดให้อยู่ในระดับที่ได้รับสำหรับอุปกรณ์ BHJ ที่ปรับให้เหมาะสม ส่งผลให้ PCE เข้าใกล้ 1%

ขั้นตอนที่ 6: รูป

แผนภาพระดับพลังงานสำหรับอนุภาคนาโน PFB:F8BT เมื่อมีแคลเซียม (ก) แคลเซียมแพร่กระจายผ่านผิวอนุภาคนาโน (b) แคลเซียมเจือเปลือกที่อุดมด้วย PFB ทำให้เกิดช่องว่าง การถ่ายโอนอิเล็กตรอนเกิดขึ้นจากการสร้างสถานะช่องว่างที่เติมแคลเซียม (c) exciton ที่สร้างขึ้นบน PFB เข้าใกล้วัสดุ PFB ที่มีสารเจือปน (PFB*) และรูจะถ่ายโอนไปยังสถานะช่องว่างที่เติม ทำให้เกิดอิเล็กตรอนที่มีพลังงานมากขึ้น (d) การถ่ายโอนอิเล็กตรอนจาก exciton ที่สร้างขึ้นบน F8BT ไปยังพลังงานที่สูงกว่า PFB ต่ำสุดที่ไม่มีการโคจรของโมเลกุล (LUMO) หรือพลังงานต่ำกว่าที่เติม PFB* LUMO จะถูกขัดขวาง

อุปกรณ์ NP-OPV ที่ประดิษฐ์จากอนุภาคนาโน P3HT:PCBM ที่กระจายตัวในน้ำซึ่งแสดงประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน (PCE) ที่ 1.30% และประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกสูงสุด (EQE) ที่ 35% อย่างไรก็ตาม ต่างจากระบบ PFB:F8BT NPOPV อุปกรณ์ P3HT:PCBM NPOPV นั้นมีประสิทธิภาพน้อยกว่าอุปกรณ์ heterojunction จำนวนมาก การสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์เอ็กซ์เรย์แบบส่งผ่าน (STXM) เผยให้เห็นว่าเลเยอร์ที่ใช้งานอยู่ยังคงมีสัณฐานวิทยา NP ที่มีโครงสร้างสูงและประกอบด้วย NP ของคอร์เชลล์ซึ่งประกอบด้วยแกน PCBM ที่ค่อนข้างบริสุทธิ์และเปลือก P3HT:PCBM แบบผสม (รูปถัดไป) อย่างไรก็ตาม ในระหว่างการหลอม อุปกรณ์ NPOPV เหล่านี้ได้รับการแยกเฟสอย่างกว้างขวางและประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลดลง อันที่จริง งานนี้ได้ให้คำอธิบายถึงประสิทธิภาพที่ต่ำกว่าของอุปกรณ์ P3HT:PCBM OPV ที่ผ่านการอบอ่อน เนื่องจากการประมวลผลทางความร้อนของฟิล์ม NP ส่งผลให้โครงสร้าง "อบอ่อนเกิน" อย่างมีประสิทธิผล โดยมีการแยกเฟสรวมที่เกิดขึ้น ซึ่งขัดขวางการสร้างประจุและการขนส่ง

ขั้นตอนที่ 7: สรุปประสิทธิภาพของ NPOPV

สรุปประสิทธิภาพของอุปกรณ์ NPOPV ที่รายงานในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมานำเสนอใน

ตาราง. จากตารางจะเห็นได้ชัดเจนว่าประสิทธิภาพของอุปกรณ์ NPOPV เพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยมีลำดับความสำคัญเพิ่มขึ้นสามระดับ

ขั้นตอนที่ 8: ข้อสรุปและแนวโน้มในอนาคต

การพัฒนาสารเคลือบ NPOPV แบบน้ำเมื่อเร็วๆ นี้แสดงถึงการเปลี่ยนกระบวนทัศน์ในการพัฒนาอุปกรณ์ OPV ราคาประหยัด แนวทางนี้พร้อมกันให้การควบคุมสัณฐานวิทยาและขจัดความจำเป็นในการใช้ตัวทำละลายไวไฟที่ระเหยง่ายในการผลิตอุปกรณ์ ความท้าทายหลักสองประการของการวิจัยอุปกรณ์ OPV ในปัจจุบัน อันที่จริง การพัฒนาสีพ่นแสงอาทิตย์แบบใช้น้ำทำให้เกิดโอกาสที่ยั่วเย้าในการพิมพ์อุปกรณ์ OPV ในพื้นที่ขนาดใหญ่โดยใช้สิ่งอำนวยความสะดวกในการพิมพ์ที่มีอยู่ นอกจากนี้ เป็นที่ทราบกันมากขึ้นว่าการพัฒนาระบบ OPV ที่พิมพ์ได้โดยใช้น้ำจะเป็นประโยชน์อย่างมาก และระบบวัสดุที่ใช้ตัวทำละลายคลอรีนในปัจจุบันไม่เหมาะสำหรับการผลิตในเชิงพาณิชย์ งานที่อธิบายไว้ในการทบทวนนี้แสดงให้เห็นว่าโดยทั่วไปแล้ววิธีการ NPOPV ใหม่นี้สามารถนำมาใช้ได้ และ PCE ของอุปกรณ์ NPOPV สามารถแข่งขันกับอุปกรณ์ที่สร้างจากตัวทำละลายอินทรีย์ได้ อย่างไรก็ตาม การศึกษาเหล่านี้ยังเปิดเผยว่า จากมุมมองของวัสดุ NPs มีพฤติกรรมแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงจากส่วนผสมของพอลิเมอร์ที่ปั่นจากตัวทำละลายอินทรีย์ อย่างมีประสิทธิภาพ NPs เป็นระบบวัสดุใหม่ทั้งหมด และด้วยเหตุนี้ กฎเก่าสำหรับการผลิตอุปกรณ์ OPV ที่ได้รับการเรียนรู้สำหรับอุปกรณ์ OPV แบบออร์แกนิกจะไม่มีผลใช้อีกต่อไป ในกรณีของ NPOPV ที่มีพื้นฐานมาจากโพลีฟลูออรีนผสม สัณฐานวิทยาของ NP ส่งผลให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า อย่างไรก็ตาม สำหรับส่วนผสมของพอลิเมอร์:ฟูลเลอรีน (เช่น P3HT:PCBM และ P3HT:ICBA) การก่อตัวทางสัณฐานวิทยาในฟิล์ม NP นั้นมีความซับซ้อนสูง และปัจจัยอื่นๆ (เช่น การแพร่กระจายของแกนกลาง) สามารถครอบงำ ส่งผลให้โครงสร้างอุปกรณ์และประสิทธิภาพที่ไม่เหมาะสม แนวโน้มในอนาคตสำหรับวัสดุเหล่านี้มีแนวโน้มอย่างมาก โดยประสิทธิภาพของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นจาก 0.004% เป็น 4% ในเวลาน้อยกว่าห้าปี ขั้นต่อไปของการพัฒนาจะเกี่ยวข้องกับการทำความเข้าใจกลไกที่กำหนดโครงสร้าง NP และสัณฐานวิทยาของฟิล์ม NP และวิธีที่สิ่งเหล่านี้สามารถควบคุมและเพิ่มประสิทธิภาพได้ จนถึงปัจจุบัน ความสามารถในการควบคุมสัณฐานวิทยาของชั้นแอกทีฟของ OPV บนระดับนาโนยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด อย่างไรก็ตาม งานล่าสุดแสดงให้เห็นว่าการใช้วัสดุ NP อาจช่วยให้บรรลุเป้าหมายนี้ได้