Pintura solar: 8 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Una pintura particular que produeix electricitat directa a partir de la llum solar.

Els fotovoltaics orgànics (OPV) ofereixen un enorme potencial com a recobriments econòmics capaços de generar electricitat directament a partir de la llum solar. Aquests materials de mescla de polímers es poden imprimir a gran velocitat en àrees grans mitjançant tècniques de processament de rotllo a rotlle, creant la fascinant visió de recobrir tots els terrats i altres superfícies d’edifici adequades amb fotovoltaics de baix cost.

Pas 1: Síntesi de PN mitjançant el procés de miniemulsió

El mètode de fabricació de nanopartícules utilitza l'energia d'ultrasons subministrada mitjançant una banya d'ultrasons inserida a la mescla de reacció per generar una miniemulsió (figura anterior). La banya d’ultrasons fa possible la formació de gotes sub-micròmetres mitjançant l’aplicació d’una força de tall elevada. Una fase aquosa de tensioactiu aquós líquid (polar) es combina amb una fase orgànica de polímer dissolt en cloroform (no polar) per generar una macroemulsió, i ultrasonada per formar una miniemulsió. Les gotes de polimer cloroform constitueixen la fase dispersa amb una fase contínua aquosa. Es tracta d’una modificació del mètode habitual per generar nanopartícules de polímers on la fase dispersa era monòmer líquid.

Immediatament després de la miniemulsificació, el dissolvent s’elimina de les gotes disperses mitjançant evaporació, deixant nanopartícules de polímer. La mida final de les nanopartícules es pot variar canviant la concentració inicial de tensioactiu en la fase aquosa.

Pas 2: Síntesi de PN mitjançant mètodes de precipitació

Com a alternativa a l’enfocament de la miniemulsió, les tècniques de precipitació ofereixen una ruta senzilla cap a la producció de nanopartícules de polímer semiconductor mitjançant la injecció d’una solució de material actiu en un segon dissolvent de pobra solubilitat.

Com a tal, la síntesi és ràpida, no utilitza tensioactius, no requereix escalfament (i, per tant, cap recuit prefabricat de les nanopartícules) en la fase de síntesi de nanopartícules i es pot ampliar fàcilment per a la síntesi a gran escala de material. En general, s’ha demostrat que les dispersions presenten una estabilitat inferior i presenten un canvi de composició en estar a causa de la precipitació preferent de partícules de composició diferent. Tanmateix, l’enfocament de la precipitació ofereix l’oportunitat d’incloure la síntesi de nanopartícules com a part d’un procés d’impressió activa, amb la generació de partícules quan i quan sigui necessari. A més, Hirsch et al. han demostrat que mitjançant el desplaçament successiu del dissolvent, és possible sintetitzar partícules de nucli-closca invertides on la disposició estructural és contrària a les energies superficials inherents dels materials.

Pas 3: PFB: sistema de materials fotovoltaics orgànics nanoparticulats F8BT (NPOPV)

Les primeres mesures de l’eficiència de conversió de potència de PFB: els dispositius de nanopartícules F8BT sota il·luminació solar van informar que els dispositius amb un Jsc = 1 × 10 −5 A cm ^ −2 i Voc = 1,38 V, que (suposant la millor estimació del factor d’ompliment no recuit (FF)) de 0,28 de dispositius de mescla massiva) correspon a un PCE del 0,004%.

Les úniques altres mesures fotovoltaiques de dispositius de nanopartícules PFB: F8BT eren gràfics d’eficiència quàntica externa (EQE). Dispositius fotovoltaics multicapa fabricats a partir de nanopartícules PFB: F8BT, que van demostrar les eficiències de conversió de potència més altes observades per a aquests materials de nanopartícules de polifluorè.

Aquest augment del rendiment es va aconseguir mitjançant el control de les energies superficials dels components individuals de la nanopartícula de polímer i el processament postposició de les capes de nanopartícules de polímer. Significativament, aquest treball va demostrar que els dispositius fotovoltaics orgànics fabricats amb nanopartícules (NPOPV) eren més eficients que els dispositius de barreja estàndard (figura més endavant).

Pas 4: figura

Comparació de les característiques elèctriques de nanopartícules i dispositius d’heterojunció massiva. (a) Variació de la densitat de corrent enfront del voltatge per a un PFB de cinc capes: F8BT (poli (9, 9-dioctilfluorè-co-N, N'-bis (4-butilfenil) -N, N'-difenil-1, 4-fenilendiamina) (PFB); nanoparticulat de poli (9, 9-dioctilfluorè-co-benzotiadiazol (F8BT)) (cercles plens) i un dispositiu heterojunció massiva (cercles oberts); (b) Variació de l’eficiència quàntica externa (EQE) vs. longitud d'ona per a un PFB de cinc capes: nanopartícules F8BT (cercles omplerts) i un dispositiu heterojunció massiva (cercles oberts). També es mostra (línia discontínua) el gràfic EQE del dispositiu de film nanoparticulat.

L’efecte dels càtodes de Ca i Al (dos dels materials d’elèctrodes més comuns) en dispositius OPV basats en dispersions de nanopartícules de polímers aquosos de polifluorè (NP). Van demostrar que els dispositius PFB: F8BT NPOPV amb càtodes Al i Ca / Al presenten un comportament qualitativament molt similar, amb un PCE màxim de ~ 0,4% per Al i ~ 0,8% per Ca / Al, i que hi ha un gruix optimitzat clar per a la Dispositius NP (figura següent). El gruix òptim és conseqüència dels efectes físics competitius de la reparació i ompliment de defectes de pel·lícules primes [32, 33] i del desenvolupament de l'esquerda d'esforç en pel·lícules gruixudes.

El gruix òptim de la capa en aquests dispositius correspon al gruix crític d’esquerda (CCT) per sobre del qual es produeix l’esquerda per esforç, la qual cosa resulta en una baixa resistència de derivació i en una reducció del rendiment del dispositiu.

Pas 5: figura

Variació de l'eficiència de conversió de potència (PCE) amb el nombre de capes dipositades per a dispositius fotovoltaics orgànics nanoparticulats F8BT (NPOPV) fabricats amb un càtode Al (cercles plens) i un càtode Ca / Al (cercles oberts). S'han afegit línies discontínues i discontínues per guiar la vista. S'ha determinat un error mitjà basat en la variància d'un mínim de deu dispositius per a cada nombre de capes.

Per tant, els dispositius F8BT milloren la dissociació de l’excitó en relació amb l’estructura BHJ corresponent. A més, l’ús d’un càtode de Ca / Al dóna lloc a la creació d’estats de bretxa interfacial (Figura posterior), que redueixen la recombinació de les càrregues generades pel PFB en aquests dispositius i restableixen la tensió del circuit obert al nivell obtingut per a un dispositiu BHJ optimitzat, resultant en un PCE que s’acosta a l’1%.

Pas 6: figura

Diagrames de nivell d'energia per a nanopartícules PFB: F8BT en presència de calci. (a) El calci es difon per la superfície de les nanopartícules; (b) El calci dopa la closca rica en PFB, produint estats de bretxa. La transferència d'electrons es produeix a partir d'estats de buit que produeixen calci; (c) Un excitó generat a PFB s'aproxima al material PFB dopat (PFB *) i un forat es transfereix a l'estat de buit ple, produint un electró més energètic; (d) Es dificulta la transferència d’electrons des d’un excitó generat a F8BT a l’orbital molecular més baix ocupat (LUMO) o a l’energia inferior plena més baixa PFB * LUMO.

Dispositius NP-OPV fabricats a partir de P3HT dispersats en aigua: nanopartícules PCBM que presentaven eficiències de conversió de potència (PCE) de l’1,30% i eficiències quàntiques externes màximes (EQE) del 35%. No obstant això, a diferència del sistema NPOPV PFB: F8BT, els dispositius NPOPV P3HT: PCBM eren menys eficients que els seus homòlegs heterojunció massius. La microscòpia de raigs X de transmissió d’escaneig (STXM) va revelar que la capa activa conserva una morfologia NP altament estructurada i comprèn NP de nucli de closca que consisteix en un nucli de PCBM relativament pur i una capa de P3HT: PCBM barrejada (figura següent). No obstant això, després del recuit, aquests dispositius NPOPV sofreixen una extensa segregació de fases i una disminució corresponent del rendiment del dispositiu. De fet, aquest treball va proporcionar una explicació per a la menor eficiència dels dispositius recoberts P3HT: PCBM OPV, ja que el processament tèrmic de la pel·lícula NP resulta en una estructura efectivament “sobrecuit” amb la segregació de fases bruta, cosa que altera la generació i el transport de càrrega.

Pas 7: resum del rendiment de NPOPV

Un resum del rendiment dels dispositius NPOPV reportats durant els darrers anys es presenta a

Taula. De la taula es desprèn que el rendiment dels dispositius NPOPV ha augmentat dràsticament, amb un augment de tres ordres de magnitud.

Pas 8: Conclusions i perspectives de futur

El recent desenvolupament de recobriments NPOPV a base d’aigua representa un canvi de paradigma en el desenvolupament de dispositius OPV de baix cost. Aquest enfocament proporciona simultàniament un control de la morfologia i elimina la necessitat de dissolvents inflamables volàtils en la producció de dispositius; dos reptes clau de la investigació actual de dispositius OPV. De fet, el desenvolupament d’una pintura solar a base d’aigua ofereix la fascinant perspectiva d’imprimir dispositius OPV de grans superfícies mitjançant qualsevol instal·lació d’impressió existent. A més, es reconeix cada cop més que el desenvolupament d’un sistema OPV imprimible a base d’aigua seria altament avantatjós i que els sistemes de materials actuals basats en dissolvents clorats no són adequats per a la producció a escala comercial. El treball descrit en aquesta revisió mostra que la nova metodologia NPOPV és generalment aplicable i que els PCE de dispositius NPOPV poden ser competitius amb els dispositius construïts a partir de dissolvents orgànics. No obstant això, aquests estudis també revelen que, des del punt de vista dels materials, els NP es comporten completament diferents de les mescles de polímers filats a partir de dissolvents orgànics. Efectivament, els NP són un sistema material completament nou i, com a tal, ja no s’apliquen les antigues regles per a la fabricació de dispositius OPV que s’han après per a dispositius OPV de base orgànica. En el cas dels NPOPV basats en mescles de polifluorè, la morfologia del NP es tradueix en un duplicat de l’eficiència del dispositiu. Tanmateix, per a mescles de polímer: fullerè (per exemple, P3HT: PCBM i P3HT: ICBA), la formació de morfologia a les pel·lícules de NP és altament complexa i poden influir altres factors (com ara la difusió del nucli), que donen lloc a estructures i eficiències del dispositiu no optimitzades. Les perspectives futures d’aquests materials són extremadament prometedores, ja que l’eficiència dels dispositius ha augmentat del 0,004% al 4% en menys de cinc anys. La següent etapa del desenvolupament implicarà comprendre els mecanismes que determinen l'estructura de NP i la morfologia de la pel·lícula de NP i com es poden controlar i optimitzar. Fins ara, encara no s’ha realitzat la capacitat de controlar la morfologia de les capes actives d’OPV a escala nanomètrica. No obstant això, treballs recents demostren que l'aplicació de materials NP pot permetre assolir aquest objectiu.