მზის საღებავი: 8 ნაბიჯი

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:18

განსაკუთრებული საღებავი, რომელიც მზის სხივებისგან პირდაპირ ელექტროენერგიას გამოიმუშავებს.

ორგანული ფოტოვოლტაკები (OPV) გვთავაზობენ უზარმაზარ პოტენციალს, როგორც იაფ საფარს, რომელსაც შეუძლია ელექტროენერგიის გამომუშავება პირდაპირ მზისგან. ეს პოლიმერული ნაზავი მასალები შეიძლება დაბეჭდოთ დიდი სიჩქარით დიდ ფართობებზე რულეტიდან რულონის დამუშავების ტექნიკის გამოყენებით, რაც ქმნის სახიფათო ხედვას ყველა სახურავისა და შენობის სხვა შესაფერისი ზედაპირის დაბალფასიანი ფოტოელექტრონული დაფარვით.

ნაბიჯი 1: NP– ების სინთეზი მინიემულსიური პროცესის საშუალებით

ნანონაწილაკების დამზადების მეთოდი იყენებს ულტრაბგერითი ენერგიას, რომელიც მიეწოდება ულტრაბგერითი რქის საშუალებით, რომელიც შეტანილია რეაქციის ნარევში, რათა გამოიმუშაოს მინიემულსია (სურათი ზემოთ). ულტრაბგერითი რქა შესაძლებელს ხდის ქვე-მიკრომეტრული წვეთების წარმოქმნას მაღალი ამწევი ძალის გამოყენებით. თხევადი წყალხსნარის შემცველი ფაზა (პოლარული) შერწყმულია ქლოროფორმში (არაპოლარულ) გახსნილი პოლიმერის ორგანულ ფაზასთან, რათა წარმოქმნას მაკროემულსია, შემდეგ ულტრაბგერითი ხდება მინიამულსიის შესაქმნელად. პოლიმერული ქლოროფორმის წვეთები წარმოადგენს გაფანტულ ფაზას წყლის უწყვეტი ფაზით. ეს არის პოლიმერული ნანონაწილაკების წარმოქმნის ჩვეულებრივი მეთოდის მოდიფიკაცია, სადაც გაფანტული ფაზა იყო თხევადი მონომერი.

მინიიმულსიფიკაციისთანავე, გამხსნელი ამოღებულია გაფანტული წვეთებიდან აორთქლების გზით, ტოვებს პოლიმერულ ნანონაწილაკებს. ნანონაწილაკების საბოლოო ზომა შეიძლება შეიცვალოს წყალხსნარში ზედაპირული აქტიური ნივთიერების საწყისი კონცენტრაციის შეცვლით.

ნაბიჯი 2: NP– ების სინთეზი ნალექის მეთოდების საშუალებით

როგორც მინიიმულსიური მიდგომის ალტერნატივა, ნალექების ტექნიკა გვთავაზობს ნახევარგამტარული პოლიმერული ნანონაწილაკების წარმოქმნის მარტივ გზას ცუდი ხსნადობის მეორე გამხსნელში აქტიური მასალის ხსნარის ინექციის გზით.

როგორც ასეთი, სინთეზი სწრაფია, არ იყენებს სურფაქტანტს, არ საჭიროებს გათბობას (და, შესაბამისად, ნანონაწილაკების ასაწყობად) ნანონაწილაკების სინთეზის ფაზაში და ადვილად შეიძლება გაფართოვდეს მასალის ფართომასშტაბიანი სინთეზისთვის. ზოგადად, ნაჩვენებია, რომ დისპერსიებს აქვთ დაბალი სტაბილურობა და ავლენენ კომპოზიციურ ცვლილებას დგომისას განსხვავებული შემადგენლობის ნაწილაკების პრეფერენციული ნალექის გამო. თუმცა, ნალექების მიდგომა შესაძლებელს ხდის ნანონაწილაკების სინთეზის ჩართვას აქტიური ბეჭდვის პროცესში, ნაწილაკების წარმოქმნით საჭიროებისამებრ. გარდა ამისა, ჰირში და სხვები. აჩვენეს, რომ გამხსნელების თანმიმდევრული გადაადგილებით შესაძლებელია ინვერსიული ბირთვიანი ნაწილაკების სინთეზი იქ, სადაც სტრუქტურული განლაგება ეწინააღმდეგება მასალის თანდაყოლილ ზედაპირულ ენერგიებს.

ნაბიჯი 3: PFB: F8BT Nanoparticulate Organic Photovoltaic (NPOPV) მატერიალური სისტემა

PFB- ის სიმძლავრის გარდაქმნის ეფექტურობის ადრეული გაზომვები: მზის განათების ქვეშ მყოფი F8BT ნანონაწილაკები აცხადებდნენ მოწყობილობებს Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 და Voc = 1.38 V, რაც (საუკეთესო შეფასებით, დაუმთავრებელი შევსების ფაქტორი (FF) 0.28 ნაყარი მოწყობილობებისგან) შეესაბამება PCE- ს 0.004%.

PFB: F8BT ნანონაწილაკების ერთადერთი სხვა ფოტოელექტრული გაზომვები იყო გარე კვანტური ეფექტურობის (EQE) ნაკვეთები. PFB: F8BT ნანონაწილაკებისგან დამზადებული მრავალ ფენიანი ფოტოელექტრული მოწყობილობები, რომლებმაც აჩვენეს ძალაუფლების გარდაქმნის ყველაზე მაღალი ეფექტურობა დაფიქსირდა ამ პოლიფლორენ ნანონაწილაკების მასალებზე.

ეს გაზრდილი შესრულება მიღწეულია პოლიმერულ ნანონაწილაკებში ცალკეული კომპონენტების ზედაპირული ენერგიების კონტროლისა და პოლიმერული ნანონაწილაკების ფენების შემდგომი დეპონირების გზით. აღსანიშნავია, რომ ამ ნაშრომმა აჩვენა, რომ დამზადებული ნანონაწილაკიანი ორგანული ფოტოელექტრონული (NPOPV) მოწყობილობები უფრო ეფექტური იყო ვიდრე სტანდარტული ნაზავი მოწყობილობები (სურათი მოგვიანებით).

ნაბიჯი 4: ფიგურა

ნანონაწილაკების და ნაყარი ჰეტეროფუნქციური მოწყობილობების ელექტრული მახასიათებლების შედარება. (ა) მიმდინარე სიმკვრივის ცვალებადობა ძაბვის წინააღმდეგ ხუთ ფენაში PFB: F8BT (პოლი (9, 9-დიოქტილფლორენ-თანა-N, N'-bis (4-ბუტილფენილ) -N, N'-დიფენილ -1, 4-ფენილენდიამინი) (PFB); პოლი (9, 9-დიოქტილფლორენ-კო-ბენზოთიადიაზოლი (F8BT)) ნანონაწილაკიანი (შევსებული წრეები) და ნაყარი ჰეტეროფუნქციური (ღია წრეები) მოწყობილობა; (ბ) გარე კვანტური ეფექტურობის ცვალებადობა (EQE) vs ტალღის სიგრძე ხუთ ფენის PFB– სთვის: F8BT ნანონაწილაკიანი (შევსებული წრეები) და ნაყარი ჰეტეროფუნქციური (ღია წრეები) მოწყობილობა. ასევე ნაჩვენებია (გატეხილი ხაზი) არის EQE ნაკვეთი ნანონაწილაკოვანი ფილმის მოწყობილობისთვის.

Ca და Al კათოდების გავლენა (ორი ყველაზე გავრცელებული ელექტროდი მასალა) OPV მოწყობილობებში, რომელიც დაფუძნებულია პოლიფლორენის ნაზავის წყალხსნარ პოლიმერულ ნანონაწილაკებზე (NP) დისპერსიებზე. მათ აჩვენეს, რომ PFB: F8BT NPOPV მოწყობილობები Al და Ca/Al კათოდებით ავლენენ თვისობრივად ძალიან მსგავს ქცევას, პიკი PCE ~ 0.4% Al- ისთვის და ~ 0.8% Ca/Al, და რომ არსებობს მკაფიოდ ოპტიმიზირებული სისქე NP მოწყობილობები (შემდეგი სურათი). ოპტიმალური სისქე არის შედეგი კონკურენტული ფიზიკური ეფექტებისა თხელი ფილმებისთვის დეფექტების შეკეთებისა და შევსების [32, 33] და სქელ ფილმებში სტრესული ბზარების განვითარების.

ამ მოწყობილობებში ფენის ოპტიმალური სისქე შეესაბამება ბზარების კრიტიკულ სისქეს (CCT), რომლის ზემოთ ხდება სტრესის გახეთქვა, რაც იწვევს შუნტის დაბალ წინააღმდეგობას და ამცირებს მოწყობილობის მუშაობას.

ნაბიჯი 5: ფიგურა

სიმძლავრის გარდაქმნის ეფექტურობის ცვალებადობა PFB– სთვის დეპონირებული ფენების რაოდენობით: F8BT ნანონაწილაკიანი ორგანული ფოტოელექტრონული (NPOPV) მოწყობილობები დამზადებულია ალ კათოდით (შევსებული წრეებით) და Ca/Al კათოდით (ღია წრეებით). წერტილოვანი და წყვეტილი ხაზები დაემატა თვალს. საშუალო შეცდომა განისაზღვრა ვარიაციის საფუძველზე მინიმუმ ათი მოწყობილობის თითოეული რაოდენობის ფენებისთვის.

ასე რომ, F8BT მოწყობილობები აძლიერებს აგზნების დისოციაციას შესაბამის BHJ სტრუქტურასთან შედარებით. უფრო მეტიც, Ca/Al კათოდის გამოყენება იწვევს ზედაპირული უფსკრული მდგომარეობების შექმნას (სურათი მოგვიანებით), რაც ამცირებს ამ მოწყობილობებში PFB- ის მიერ წარმოქმნილ მუხტების რეკომბინაციას და აღადგენს ღია წრედის ძაბვას ოპტიმიზირებული BHJ მოწყობილობისათვის მიღებულ დონემდე., რის შედეგადაც PCE უახლოვდება 1%-ს.

ნაბიჯი 6: ფიგურა

ენერგიის დონის დიაგრამები PFB- სთვის: F8BT ნანონაწილაკები კალციუმის თანდასწრებით. (ა) კალციუმი ვრცელდება ნანონაწილაკების ზედაპირზე; (ბ) კალციუმი აფუჭებს PFB- ით მდიდარ გარსს, წარმოქმნის უფსკრული მდგომარეობებს. ელექტრონის გადაცემა ხდება კალციუმის წარმოქმნის შევსებული უფსკრული მდგომარეობიდან; (გ) PFB- ზე გამომუშავებული აგზნება უახლოვდება დოპინგ PFB მასალას (PFB*) და ხვრელი გადადის შევსებული უფსკრულის მდგომარეობაში, რაც გამოიმუშავებს უფრო ენერგიულ ელექტრონს; (დ) ელექტრონის გადაცემა F8BT- ზე წარმოქმნილი აგზნებიდან ან მაღალი ენერგიის PFB ყველაზე დაბალი დაუკავებელი მოლეკულური ორბიტა (LUMO) ან შევსებული ქვედა ენერგიის PFB* LUMO შეფერხებულია.

წყლის გაფანტული P3HT– დან დამზადებული NP-OPV მოწყობილობები: PCBM ნანონაწილაკები, რომლებმაც გამოავლინეს სიმძლავრის გარდაქმნის ეფექტურობა (PCE) 1.30% და პიკური გარე კვანტური ეფექტურობა (EQE) 35%. თუმცა, PFB: F8BT NPOPV სისტემისგან განსხვავებით, P3HT: PCBM NPOPV მოწყობილობები ნაკლებად ეფექტური იყო, ვიდრე მათი ნაყარი ჰეტეროფუნქციური კოლეგები. გადაცემის რენტგენის მიკროსკოპიის (STXM) სკანირებისას გამოვლინდა, რომ აქტიური ფენა ინარჩუნებს სტრუქტურირებული NP მორფოლოგიას და მოიცავს ძირითად გარსს NP, რომელიც შედგება შედარებით სუფთა PCBM ბირთვისა და შერეული P3HT: PCBM გარსისგან (შემდეგი სურათი). თუმცა, გაცხელებისთანავე, ეს NPOPV მოწყობილობები განიცდიან ფართო ფაზის სეგრეგაციას და შესაბამისი შემცირება მოწყობილობის მუშაობაში. მართლაც, ამ ნაშრომმა ახსნა გაჟღენთილი P3HT: PCBM OPV მოწყობილობების დაბალი ეფექტურობის შესახებ, ვინაიდან NP ფილმის თერმული დამუშავება იწვევს ეფექტურად "ზედმეტად დაჟღენთილ" სტრუქტურას უხეში ფაზის სეგრეგაციით, რაც არღვევს მუხტის წარმოქმნას და ტრანსპორტს.

ნაბიჯი 7: NPOPV შესრულების შეჯამება

წარმოდგენილია NPOPV მოწყობილობების შესრულების შეჯამება ბოლო რამდენიმე წლის განმავლობაში

მაგიდა. ცხრილიდან ნათელია, რომ NPOPV მოწყობილობების შესრულება მკვეთრად გაიზარდა, მასშტაბის სამი ბრძანებით გაიზარდა.

ნაბიჯი 8: დასკვნები და მომავალი პერსპექტივა

წყალზე დაფუძნებული NPOPV საფარის ბოლო განვითარება წარმოადგენს პარადიგმის ცვლას დაბალი ღირებულების OPV მოწყობილობების განვითარებაში. ეს მიდგომა ერთდროულად უზრუნველყოფს მორფოლოგიის კონტროლს და გამორიცხავს მოწყობილობების წარმოებაში არასტაბილური აალებადი გამხსნელების საჭიროებას; ორი ძირითადი გამოწვევა OPV მოწყობილობის კვლევის. მართლაც, წყლის დაფუძნებული მზის საღებავის განვითარება გვთავაზობს დიდი ფართობის OPV მოწყობილობების დაბეჭდვის მატარებელ პერსპექტივას ნებისმიერი არსებული საბეჭდი საშუალების გამოყენებით. უფრო მეტიც, სულ უფრო და უფრო აღიარებულია, რომ წყალზე დასაბეჭდი OPV სისტემის განვითარება იქნება მეტად მომგებიანი და რომ ქლორის გამხსნელებზე დაფუძნებული ამჟამინდელი მასალის სისტემები არ არის შესაფერისი კომერციული მასშტაბის წარმოებისთვის. ამ მიმოხილვაში აღწერილი სამუშაოები გვიჩვენებს, რომ ახალი NPOPV მეთოდოლოგია ზოგადად გამოიყენება და რომ NPOPV მოწყობილობის PCE- ები შეიძლება კონკურენტუნარიანი იყოს ორგანული გამხსნელებისგან დამზადებულ მოწყობილობებთან. ამასთან, ეს კვლევები ასევე ცხადყოფს, რომ მასალების თვალსაზრისით, NP– ები სრულიად განსხვავებულად იქცევიან ორგანული გამხსნელებისგან დაწნული პოლიმერული ნარევებისგან. ფაქტობრივად, NP– ები არის სრულიად ახალი მატერიალური სისტემა და, როგორც ასეთი, ორგანული წარმოშობის OPV მოწყობილობებისათვის ნასწავლი OPV მოწყობილობების დამზადების ძველი წესები აღარ გამოიყენება. პოლიფლორენულ ნარევებზე დაფუძნებული NPOPV– ების შემთხვევაში, NP მორფოლოგია იწვევს მოწყობილობის ეფექტურობის გაორმაგებას. თუმცა, პოლიმერისთვის: ფულერენის ნაზავია (მაგალითად, P3HT: PCBM და P3HT: ICBA), NP ფილმებში მორფოლოგიის ფორმირება ძალზედ რთულია და სხვა ფაქტორები (როგორიცაა ძირითადი დიფუზია) შეიძლება დომინირებდეს, რაც იწვევს მოწყობილობის არაპროგნოზირებულ სტრუქტურას და ეფექტურობას. ამ მასალების სამომავლო პერსპექტივა უკიდურესად პერსპექტიულია, მოწყობილობის ეფექტურობა გაიზარდა 0.004% -დან 4% -მდე 5 წელზე ნაკლებ დროში. განვითარების შემდეგი ეტაპი მოიცავს მექანიზმების გააზრებას, რომლებიც განსაზღვრავენ NP სტრუქტურას და NP ფილმის მორფოლოგიას და როგორ შეიძლება მათი კონტროლირება და ოპტიმიზაცია. დღეისათვის, ნანო მასშტაბის OPV აქტიური ფენების მორფოლოგიის კონტროლის უნარი ჯერ კიდევ არ არის რეალიზებული. თუმცა, ბოლოდროინდელი მუშაობა აჩვენებს, რომ NP მასალების გამოყენებამ შეიძლება ამ მიზნის მიღწევის საშუალება მისცეს.