Įsivaizduokite ateitį, kurioje mūsų telefonų ekranai, pastatų fasadai ir net palapinės gali lengvai generuoti elektrą{0}}tai yra įmanoma dėl didžiulio polimerinių saulės elementų (PSC) potencialo. Palyginti su tradicinėmis silicio{2}}saulės baterijomis, PSC, kurių unikalūs pranašumai yra lengvi, lankstūs ir tinkami -spausdinti didelio ploto įrenginių gamybai, tapo kylančia žvaigžde naujoje energijos srityje. Tačiau pagrindinė kliūtis norint pasiekti komercinį pritaikymą yra fotoelektrinės konversijos efektyvumo (PCE) gerinimas. Per pastarąjį dešimtmetį PCE išaugo nuo maždaug 1 % iki daugiau nei 11 %, o viena iš pagrindinių varomųjų jėgų yra didelio našumo polimerinių fotovoltinių medžiagų projektavimas ir optimizavimas.
1. Nuo politiofeno iki D-A kopolimerų
Ankstyvieji tyrimai buvo skirti politiofeno homopolimerams, tokiems kaip P3HT, tačiau jų siauras absorbcijos spektras ir aukštas HOMO lygis ribojo efektyvumą. Mokslininkai peržengė šį apribojimą naudodami molekulinį dizainą: pavyzdžiui, į politiofeną įvedus dvimates konjuguotas šakas, tokias kaip bistiofeno etilenas, ne tik išplėtė absorbcijos spektrą, bet ir sumažino HOMO lygį maždaug 0,2 eV, o tai žymiai pagerino atvirojo jungimo įtampą{5}}. įrenginį, padidindamas efektyvumą nuo 2,41% iki 3,18%. Kita strategija yra sumažinti alkilo grandinių skaičių ir įvesti elektronus{9}}traukiančias grupes, pvz., esterių grupes, kurios taip pat gali veiksmingai sumažinti HOMO energijos lygį ir žymiai pagerinti Voc (pvz., PDGBT pasiekia 0,91 V) ir efektyvumą (7,2 %).
2. Benzoditiofenas (BDT)
Tikrai revoliucinis proveržis atsirado dėl donoro-akceptoriaus (D-A) kintamo kopolimero struktūros. Tarp jų benzoditiofeno (BDT) blokas išsiskyrė dėl savo didelės konjuguotos plokštumos, didelio mobilumo ir lengvo konstrukcijos modifikavimo. 2008 m. tyrėjas Hou Jianhui Yang tyrimų grupėje pradėjo naudoti BDT polimero projekte D-. Vėliau BDT ir tiofeno[3,4-b]tiofeno (TT) derinys tapo auksine aukštos kokybės medžiagų pora.
Norint toliau tirti BDT{0}}kaip polimerų potencialą, galima pritaikyti dviejų-dimensijų konjuguotų šakų ir fluorinimo strategijas:
Dviejų{0}}dimensijų konjuguotų šakų įvedimas į BDT bloką labai išplečia π-elektronų konjuguotą molekulės plotą. Tai ne tik sustiprina tarpmolekulines sąveikas ir įkrovos transportavimo galimybes, bet ir efektyviai moduliuoja absorbcijos spektrą bei molekulinės energijos lygį. Pavyzdžiui, PBDTTT-C-T, PTB7-Th ir vėliau PBDT-TS1, kurių efektyvumas buvo didesnis nei 10 %, šis dizainas buvo naudingas.
Selektyviai įvedant stipriai elektronus{0}}traukiančius fluoro atomus į BDT šonines grandines arba TT akceptorių vienetus, galima sinergiškai ir žymiai sumažinti polimero HOMO energijos lygį, taip labai pagerinant įrenginio atviros-grandinės įtampą. Nuo PBT-OF iki PBT-3F, didėjant fluoro atomų skaičiui, Voc padidėja nuo 0,56 V iki 0,78 V, o efektyvumas šokteli nuo 4,5 % iki 8,6 %.
3. Morfologijos kontrolė
Didelis našumas priklauso ne tik nuo pačios medžiagos, bet ir nuo tūrinės heterosankcijos, kurią sudaro donoro/akceptoriaus mišinys aktyviame sluoksnyje, mikrostruktūros. Morfologija turi būti teisinga: jei fazės sritis yra per didelė, eksitonai rekombinuosis, kol galės atsiskirti; jei fazės sritis per maža, nemokami mokesčiai taip pat lengvai susijungs. Tyrėjai ištyrė du būdus kontroliuoti polimerų mišinius:
Apdorojimas žaliais tirpikliais: siekdami išvengti toksiškų halogenintų tirpiklių, mokslininkai ištyrė žaliųjų tirpiklių, tokių kaip o-ksilenas ir o-metilanizolis (MA), naudojimą kartu su specifiniais priedais (pvz., NMP), kurie sėkmingai atkartoja puikią morfologiją, panašią į halogenintų tirpiklių sistemų morfologiją ir pasiekė aukštą, beveik 10 % efektyvumą.
Molekulinės struktūros optimizavimas: projektuojant, kad polimero pagrindas būtų linijiškesnis, padidintas konjuguotas plotas arba tiksliai sureguliuotas alkilo šonines grandines, polimero kristališkumas ir molekulinis įpakavimas gali būti aktyviai kontroliuojamas ir taip gaunamos idealios mišinio morfologijos.
Polimerinės fotovoltinės medžiagos, kaip svarbi žaliosios energijos sudedamoji dalis, savo unikaliomis savybėmis ir pranašumais pirmauja energijos transformavimo tendencijoje. Dėl nuolatinės technologinės pažangos ir rinkos plėtros, polimerinės fotovoltinės medžiagos ateityje parodys dar platesnes taikymo perspektyvas ir didžiulį rinkos potencialą. Lauksime polimerinių fotovoltinių medžiagų, kurios žmonių visuomenei suteiks švaresnių, efektyvesnių ir tvaresnių energijos sprendimų!
