Imaginați-vă un viitor în care ecranele telefonului nostru, fațadele clădirilor și chiar corturile pot genera cu ușurință electricitate-o performanță posibilă de potențialul imens al celulelor solare polimerice (PSC). În comparație cu panourile solare tradiționale pe bază de siliciu-, PSC-urile, cu avantajele lor unice de a fi ușoare, flexibile și soluții-imprimabile pentru fabricarea de dispozitive cu suprafețe mari-, au devenit o stea în ascensiune în noul domeniu energetic. Cu toate acestea, obstacolul de bază pentru realizarea aplicației comerciale constă în îmbunătățirea eficienței conversiei fotoelectrice (PCE). În ultimul deceniu, PCE a crescut de la aproximativ 1% la peste 11%, iar una dintre forțele motrice cheie din spatele acestui lucru este proiectarea și optimizarea materialelor fotovoltaice polimere de înaltă-performanță.
1. De la politiofen la copolimerii D-A
Cercetările timpurii s-au concentrat pe homopolimeri de politiofen, cum ar fi P3HT, dar spectrul lor de absorbție îngust și nivelul ridicat de HOMO au limitat eficiența. Cercetătorii au depășit această limitare prin proiectarea moleculară: de exemplu, introducerea de ramuri conjugate bi-dimensionale, cum ar fi bistiofen etilena pe politiofen, nu numai că a lărgit spectrul de absorbție, dar a scăzut și nivelul HOMO cu aproximativ 0,2 eV, îmbunătățind semnificativ eficiența{-deschisă a circuitului deschis și a eficienței{5} de scurtcircuit a dispozitivului} 2,41% până la 3,18%. O altă strategie este reducerea numărului de lanțuri alchil și introducerea de grupări-atragere de electroni, cum ar fi grupările esterice, care pot, de asemenea, să scadă eficient nivelul de energie HOMO și să îmbunătățească semnificativ Voc (de exemplu, PDGBT atinge 0,91 V) și eficiența (7,2%).
2. Benzoditiofen (BDT)
Descoperirea cu adevărat revoluționară a venit din structura copolimerului alternant al donatorului-acceptor (D{-A). Printre acestea, unitatea de benzoditiofen (BDT) s-a remarcat prin planul său mare conjugat, mobilitatea ridicată și modificarea structurală ușoară. În 2008, cercetătorul Hou Jianhui a fost pionier în utilizarea BDT în designul D-Un polimer în grupul de cercetare al lui Yang. Ulterior, combinația de BDT și tiofen[3,4-b]tiofen (TT) a devenit o pereche de aur pentru materiale de înaltă performanță.
Pentru a explora în continuare potențialul polimerilor de tip BDT-, pot fi adoptate ramuri conjugate bi-dimensionale și strategii de fluorurare:
Introducerea ramurilor conjugate bi-dimensionale în unitatea BDT extinde foarte mult aria conjugată cu electroni π{-a moleculei. Acest lucru nu numai că îmbunătățește interacțiunile intermoleculare și capacitățile de transport de sarcină, dar și modulează eficient spectrul de absorbție și nivelul de energie moleculară. De exemplu, PBDTTT-C-T, PTB7-Th și mai târziu PBDT-TS1, care au realizat progrese în eficiență de peste 10%, au beneficiat cu toții de pe urma acestui design.
Introducerea selectivă a atomilor de fluor cu retragere puternică de electroni-în lanțurile laterale sau în unitățile acceptoare TT ale BDT poate reduce în mod sinergic și semnificativ nivelul de energie HOMO al polimerului, îmbunătățind astfel considerabil tensiunea-de circuit deschis a dispozitivului. De la PBT-OF la PBT-3F, pe măsură ce numărul de atomi de fluor crește, Voc crește de la 0,56 V la 0,78 V, iar eficiența crește de la 4,5% la 8,6%.
3. Controlul morfologiei
Performanța înaltă depinde nu numai de materialul în sine, ci și de microstructura heterojoncțiunii în vrac formată de amestecul donor/acceptor din stratul activ. Morfologia trebuie să fie corectă: dacă regiunea de fază este prea mare, excitonii se vor recombina înainte de a se putea separa; dacă regiunea de fază este prea mică, taxele gratuite se vor recombina cu ușurință. Cercetătorii au explorat două abordări pentru a controla amestecurile de polimeri:
Procesarea solvenților verzi: pentru a evita solvenții halogenați toxici, cercetătorii au explorat utilizarea solvenților verzi precum o-xilen și o-metil anisol (MA), combinați cu aditivi specifici (cum ar fi NMP), replicând cu succes morfologia excelentă similară cu cea a sistemelor de solvenți halogenați și obținând o eficiență ridicată de aproape 10%.
Optimizarea structurii moleculare: prin proiectarea pentru a face coloana vertebrală a polimerului mai liniară, creșterea zonei conjugate sau ajustarea fină a lanțurilor laterale alchil, cristalinitatea și împachetarea moleculară a polimerului pot fi controlate activ, obținând astfel morfologiile de amestec ideale.
Ca o componentă importantă a energiei verzi, materialele fotovoltaice polimerice conduc tendința de transformare a energiei cu proprietățile și avantajele lor unice. Cu progresele tehnologice continue și extinderea pieței, materialele fotovoltaice polimerice vor demonstra perspective de aplicare și mai largi și un potențial enorm de piață în viitor. Să așteptăm cu nerăbdare materialele fotovoltaice polimerice care să aducă soluții energetice mai curate, mai eficiente și durabile societății umane!
