سلول فتو ولتائیک آلی

دسته: مقالات منتشر شده در 22 آبان 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 54

سلول فتوولتائیک آلی با راندمان 17 درصدی و قابلیت پردازش برتر

توسعه مواد فتوولتائیک آلی، به ویژه گیرنده های الکترون غیر فولرن (NAFs) که به تازگی در حال کشف شدن هستند، در سال های اخیر پیشرفت سریعی را در سلول های فتوولتائیک آلی (OPV) ممکن ساخته است. اگرچه بازده تبدیل توان (PECs) در سلول های OPV با عملکرد بالا از 16 درصد فراتر رفته است، دستگاه ها معمولا از طریق روش پوشش اسپین ساخته شده و برای تولید در سطح وسیع مناسب نیستند. در اینجا، ما نشان می دهیم که اصلاح جزئی زنجیره های جانبی انعطاف پذیر NAFs می تواند 17 درصد PCE برای سلول های OPV ایجاد کند. مهم تر از آن اینکه از آنجایی که NFA بهینه دارای حلالیت مناسب و در نتیجه، مورفولوژی مطلوب است، بازدهی بالای دستگاه های حاوی پوشش دهی دورانی را می توان در هنگام استفاده از فناوری پردازش تیغه پوشش دهنده مقیاس پذیر حفظ کرد. نتایج حاصل از این مطالعه نشان می دهد که بهینه سازی ساختارهای شیمیایی مواد OPV می تواند عملکرد دستگاه را بهبود بخشد. این امر در فناوری های تولید در مقیاس بزرگ تر که بینش علمی مهمی را برای تجاری سازی سلول های OPV ارائه می دهد، بسیار با اهمیت است.

 

فناوری فتوولتائیک آلی (OPV) جایگزین امیدوار کننده ایی برای استفاده از انرژی خورشیدی پایدار است. بازده تبدیل توان (PCE) با پتانسیل زیادی در کاربردهای عملی بسیار سریع در حال رشد است. در 30 سال گذشته توسعه مواد جدید، بهینه سازی روش های پردازش دستگاه و مورفولوژی ترکیب و همچنین درک فیزیکی دستگاه کمک زیادی به پیشرفت سلول های OPV کرده است. یکی از بزرگترین مزیت های سلول های OPV قابلیت پردازش محلول، تسهیل تولید در سطح وسیع با هزینه کم از طریق فناوری های چاپ مقیاس پذیر است. اگرچه PCE سلول های OPV تک اتصالی از 16 درصد فراتر رفته است، اکثر دستگاه های دارای عملکرد پیشرفته با کمک روش های پوشش دهی دورانی کمتر از 0.1 سانتی متر مربع ساخته شده اند که خارج از محدوده کاربردهای عملی است. علاوه براین، روش پوشش دهی دورانی برای تولید در مقیاس بزرگ مناسب نیست. بنابراین هنگام طراحی مواد OPV بسیار کارآمد، کاربرد آنها در فناوری های ساخت مقیاس پذیر در نقاط فعال بسیار بزرگ بایستی بررسی شود. دستاوردهای اخیر در سلول های OPV به توسعه و استفاده از پذیرنده های غیر فولرن (NAFs) بستگی دارد. NFA ها با عملکرد بالا جذب گسترده ای از 400 تا 900 نانومتر را نشان می دهند که منجر به برداشت مناسب فوتون های خورشیدی و در نتیجه، چگالی جریان خروجی بالا می شود. دستگاه های متکی بر NFA هر دو کاهش تلفات انرژی تابشی و غیر تابشی (ElossS) را نشان می دهند که رسیدن به ولتاژ بالا از مزایای آن محسوب می شود. بیش از 16 درصد PCE ها با سلول های OPV با پایه NFA به دست آمدند. به این نکته هم دقت می کنیم که اکثر NFA ها از هتروسیکل های پنج یا شش عضوی ذوب شده تشکیل شده اند. برای مثال NFA های بسیار کارآمد مانند ITIC، Y6 و مشتقات آنها دارای ساختارهای نردبانی کاملا ذوب شده هستند. ساختار مزدوج بزرگ برای تشکیل توده بین مولکولی π-π و بهبود انتقال بار مفید است. با این حال، همین ویژگی منجر به حلالیت ضعیف NFA ها می شود و فرایندهای پردازش محلول را دشوار می کند.

 

برای حل این مشکل، تنظیم دقیق زنجیره های جانبی انعطاف پذیر NFA ها در متعادل کردن بار و قابلیت پردازش محلول بسیار مهم است. این امر، به ویژه هنگام افزایش مقیاس ناحیه فعال سلول های OPV ضرورت دارد زیرا عملکرد دستگاه به شدت به مورفولوژی یکنواخت متکی است. بهترین سلول های OPV با مقیاس بزرگ که از روش های چاپ استفاده می کنند، دارای تنها 13 درصد PCE هستند که بسیار کمتر از دستگاه ها با پوشش دورانی کوچک است. در اینجا، ما مهندسی زنجیره جانبی را بر روی یک NFA BTP-4CI بسیار کارآمد انجام می دهیم و کاربردهای OPV را در شرایط مختلف پردازش مورد بررسی قرار می دهیم. این رویکرد بهبود عملکرد فتوولتائیک را برای سلول های OPV با مقیاس بزرگ را نشان می دهد. بهترین دستگاه حداکثر 17 درصد PCE را در ناحیه فعال 0.09 سانتی متر مربع ایجاد می کند. این یکی از کارایی های برتر برای سلول های OPV است و نتیجه حاصل از آن به تایید یک موسسه مستقل رسیده است. نکته مهم این است که در هنگام استفاده از روش پوشش تیغه ای به منظور گسترش ناحیه فعال لایه فعال، PCE بالای 15.5 درصد به دلیل قابلیت پردازش محلول متعادل و انتقال بار حفظ شد. در مقابل، عملکرد بالای سلول های OPV با پوشش دورانی متکی بر دو NFA دیگر با زنجیره های آلکیل کوتاه تر یا طولانی تر، در حین ساخت دستگاه های مقیاس بزرگ با استفاده از روش پوشش تیغه ایی، کاهش قابل ملاحظه ای را متحمل شدند.

 

نتیجه گیری

در این مقاله، مهندسی زنجیره جانبی را روی مواد بهینه NFA با هدف بهبود عملکرد فتوولتائیک و قابلیت پردازش سلول های OPV پیاده کرده و BTP-4CI-X را سنتز کردیم. با استفاده از اهدا کننده پلیمر PBDB-TF و NFA BTP-4CI-12 ما با موفقیت PCE بالای 17 درصد را در سلول OPV تک اتصالی نشان می دهیم. بعنوان نتیجه حاصل از فرایند پذیری محلول متعادل و خواص توده BTP-4CI-12، فیلم ترکیبی با پایه PBDBTF:BTP-4CI-12 مورفولوژی بسیار خوبی را در هنگام استفاده از روش پوشش تیغه ای نشان داد که به انتقال بار و غلبه بر نوترکیبی بار در سلول OPV حاصل شده کمک می کند. بنابراین، سلول های OPV 1 سانتی متر مربع براساس روش پوشش تیغه ای، PCE بالای 15.5 درصدی را ارائه می دهند. این یافته های به دست آمده در مقادیر بالای سلول های OPV مطرح می شوند. این مقاله دستورالعمل های مهمی را با هدف توسعه مواد OPV بهینه، با در نظر گرفتن کاربرد آنها در مقیاس بزرگ ارائه می دهد.