Představte si budoucnost, kde obrazovky našich telefonů, fasády budov a dokonce i stany mohou snadno vyrábět elektřinu-, což je výkon, který umožňuje obrovský potenciál polymerních solárních článků (PSC). Ve srovnání s tradičními křemíkovými-solárními panely se PSC se svými jedinečnými výhodami v podobě nízké hmotnosti, flexibility a řešením-potisknutelným pro velkoplošnou výrobu zařízení{4}} staly vycházející hvězdou v novém energetickém poli. Hlavní překážka pro dosažení komerční aplikace však spočívá ve zlepšení účinnosti fotoelektrické konverze (PCE). Za posledních deset let se PCE zvýšil z přibližně 1 % na více než 11 % a jednou z klíčových hnacích sil za tím je návrh a optimalizace vysoce-výkonných polymerních fotovoltaických materiálů.
1. Od polythiofenu k D-A kopolymerům
Raný výzkum se zaměřil na polythiofenové homopolymery, jako je P3HT, ale jejich úzké absorpční spektrum a vysoká úroveň HOMO omezovaly účinnost. Výzkumníci toto omezení prolomili díky molekulárnímu designu: například zavedení dvou-rozměrných konjugovaných větví, jako je bisthiofen etylen, na polythiofen nejen rozšířilo absorpční spektrum, ale také snížilo úroveň HOMO přibližně o 0,2 eV, výrazně zlepšilo napětí v otevřeném -obvodu a zkrat-3 zvýšilo účinnost obvodu na 2,18 %.4 % zařízení. Další strategií je snížení počtu alkylových řetězců a zavedení elektron-odebíracích skupin, jako jsou esterové skupiny, které mohou také účinně snížit energetickou hladinu HOMO a výrazně zlepšit Voc (např. PDGBT dosahuje 0,91 V) a účinnost (7,2 %).
2. Benzodithiofen (BDT)
Skutečně revoluční průlom přinesla střídavá struktura kopolymeru donor-akceptor (D-A). Mezi nimi vynikala jednotka benzodithiofenu (BDT) díky své velké konjugované rovině, vysoké mobilitě a snadné strukturální modifikaci. V roce 2008 byl výzkumník Hou Jianhui průkopníkem použití BDT v D-A polymerovém designu ve výzkumné skupině Yang. Následně se kombinace BDT a thiofen[3,4-b]thiofenu (TT) stala zlatým párem pro vysoce výkonné materiály.
K dalšímu prozkoumání potenciálu BDT-polymerů lze použít dvou-dimenzionální konjugované větvení a fluorační strategie:
Zavedením dvou{0}}rozměrných konjugovaných větví do jednotky BDT se značně rozšíří oblast molekuly konjugovaná s π-elektronem. To nejen zlepšuje mezimolekulární interakce a schopnosti transportu náboje, ale také účinně moduluje absorpční spektrum a hladinu molekulární energie. Například PBDTTT-C-T, PTB7-Th a později PBDT-TS1, které dosáhly průlomu v účinnosti přes 10 %, všechny těžily z tohoto návrhu.
Selektivní zavedení atomů fluoru silně přitahujících elektrony- do postranních řetězců nebo akceptorových jednotek TT BDT může synergicky a významně snížit energetickou hladinu HOMO polymeru, čímž se výrazně zlepší napětí v otevřeném-obvodu zařízení. Z PBT-OF na PBT-3F se s rostoucím počtem atomů fluoru zvyšuje Voc z 0,56 V na 0,78 V a účinnost vyskočí ze 4,5 % na 8,6 %.
3. Kontrola morfologie
Vysoký výkon závisí nejen na samotném materiálu, ale také na mikrostruktuře objemové heteropřechodky tvořené směsí donor/akceptor v aktivní vrstvě. Morfologie musí být správná: pokud je oblast fáze příliš velká, excitony se rekombinují, než se budou moci oddělit; pokud je oblast fáze příliš malá, volné náboje se také snadno rekombinují. Výzkumníci prozkoumali dva přístupy ke kontrole polymerních směsí:
Zpracování zelených rozpouštědel: Aby se zabránilo toxickým halogenovaným rozpouštědlům, výzkumníci prozkoumali použití zelených rozpouštědel, jako je o-xylen a o{1}}metylanisol (MA), v kombinaci se specifickými aditivy (jako je NMP), které úspěšně replikují vynikající morfologii podobnou systému halogenovaných rozpouštědel a dosahují vysoké účinnosti téměř 10 %.
Optimalizace molekulární struktury: Navržením tak, aby byl hlavní řetězec polymeru lineárnější, zvýšením konjugované oblasti nebo jemným nastavením alkylových postranních řetězců, lze aktivně řídit krystalinitu a molekulární balení polymeru, čímž se získá ideální morfologie směsi.
Polymerní fotovoltaické materiály jako důležitá složka zelené energie vedou se svými jedinečnými vlastnostmi a výhodami trend přeměny energie. S neustálým technologickým pokrokem a expanzí trhu budou polymerní fotovoltaické materiály v budoucnu demonstrovat ještě širší aplikační vyhlídky a obrovský tržní potenciál. Těšme se na polymerové fotovoltaické materiály přinášející čistší, účinnější a udržitelnější energetická řešení lidské společnosti!
