Φανταστείτε ένα μέλλον όπου οι οθόνες των τηλεφώνων μας, οι προσόψεις των κτιρίων, ακόμη και οι σκηνές μας θα μπορούν εύκολα να παράγουν ηλεκτρισμό-ένα κατόρθωμα που έγινε δυνατό από τις τεράστιες δυνατότητες των πολυμερών ηλιακών κυψελών (PSC). Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά ηλιακά πάνελ-πυριτίου, τα PSC, με τα μοναδικά τους πλεονεκτήματα ότι είναι ελαφριά, ευέλικτα και εκτυπώσιμα{3}}για την κατασκευή συσκευών μεγάλης-περιοχής, έχουν γίνει ανερχόμενο αστέρι στο νέο ενεργειακό πεδίο. Ωστόσο, το βασικό σημείο συμφόρησης για την επίτευξη εμπορικής εφαρμογής έγκειται στη βελτίωση της απόδοσης φωτοηλεκτρικής μετατροπής (PCE). Την τελευταία δεκαετία, το PCE έχει αυξηθεί από περίπου 1% σε πάνω από 11%, και μία από τις βασικές κινητήριες δυνάμεις πίσω από αυτό είναι ο σχεδιασμός και η βελτιστοποίηση των πολυμερών φωτοβολταϊκών υλικών υψηλής απόδοσης-.
1. Από το πολυθειοφαίνιο στα συμπολυμερή D-Α
Η πρώιμη έρευνα επικεντρώθηκε σε ομοπολυμερή πολυθειοφαινίου όπως το P3HT, αλλά το στενό φάσμα απορρόφησης και το υψηλό επίπεδο HOMO περιόρισαν την αποτελεσματικότητά τους. Οι ερευνητές έχουν ξεπεράσει αυτόν τον περιορισμό μέσω του μοριακού σχεδιασμού: για παράδειγμα, η εισαγωγή δισδιάστατων συζευγμένων κλάδων όπως το διθειοφαίνιο αιθυλένιο στο πολυθειοφαίνιο όχι μόνο διεύρυνε το φάσμα απορρόφησης αλλά μείωσε επίσης το επίπεδο HOMO κατά περίπου 0,2 eV, βελτιώνοντας σημαντικά το ανοιχτό ρεύμα{4} της συσκευής, αυξάνοντας την απόδοση από 2,41% σε 3,18%. Μια άλλη στρατηγική είναι η μείωση του αριθμού των αλκυλικών αλυσίδων και η εισαγωγή ομάδων-απόσυρσης ηλεκτρονίων όπως οι εστερικές ομάδες, οι οποίες μπορούν επίσης να μειώσουν αποτελεσματικά το επίπεδο ενέργειας HOMO και να βελτιώσουν σημαντικά το Voc (π.χ. το PDGBT φτάνει τα 0,91 V) και την απόδοση (7,2%).
2. Βενζοδιθειοφένιο (BDT)
Η πραγματικά επαναστατική ανακάλυψη προήλθε από την εναλλασσόμενη δομή συμπολυμερούς δότη-δέκτη (D-A). Μεταξύ αυτών, η μονάδα βενζοδιθειοφαινίου (BDT) ξεχώρισε λόγω του μεγάλου συζευγμένου επιπέδου, της υψηλής κινητικότητας και της εύκολης δομικής τροποποίησης. Το 2008, ο ερευνητής Hou Jianhui πρωτοστάτησε στη χρήση του BDT στο D-A polymer design στην ερευνητική ομάδα του Yang. Στη συνέχεια, ο συνδυασμός BDT και θειοφαιν[3,4-b]θειοφαίνης (TT) έγινε ένας χρυσός συνδυασμός για υλικά υψηλής απόδοσης.
Για περαιτέρω διερεύνηση του δυναμικού πολυμερών-όπως BDT, μπορούν να υιοθετηθούν-δισδιάστατοι συζευγμένοι κλάδοι και στρατηγικές φθορίωσης:
Η εισαγωγή δύο-συζευγμένων κλάδων δύο διαστάσεων στη μονάδα BDT επεκτείνει σημαντικά την περιοχή συζευγμένης π-ηλεκτρονίου του μορίου. Αυτό όχι μόνο ενισχύει τις διαμοριακές αλληλεπιδράσεις και τις δυνατότητες μεταφοράς φορτίου, αλλά επίσης ρυθμίζει αποτελεσματικά το φάσμα απορρόφησης και το επίπεδο μοριακής ενέργειας. Για παράδειγμα, τα PBDTTT-C-T, PTB7-Th και αργότερα PBDT-TS1, τα οποία πέτυχαν επιτεύγματα απόδοσης άνω του 10%, ωφελήθηκαν όλα από αυτόν τον σχεδιασμό.
Η επιλεκτική εισαγωγή ατόμων φθορίου που αποσύρουν ισχυρά ηλεκτρόνια- στις πλευρικές αλυσίδες ή τις μονάδες δέκτη ΤΤ του BDT μπορεί να μειώσει συνεργικά και σημαντικά το επίπεδο ενέργειας HOMO του πολυμερούς, βελτιώνοντας έτσι σημαντικά την τάση ανοιχτού-κυκλώματος της συσκευής. Από το PBT-OF στο PBT-3F, καθώς αυξάνεται ο αριθμός των ατόμων φθορίου, το Voc αυξάνεται από 0,56 V σε 0,78 V και η απόδοση αυξάνεται από 4,5% σε 8,6%.
3. Έλεγχος Μορφολογίας
Η υψηλή απόδοση εξαρτάται όχι μόνο από το ίδιο το υλικό, αλλά και από τη μικροδομή της χύδην ετεροσύνδεσης που σχηματίζεται από το μείγμα δότη/δέκτη στο ενεργό στρώμα. Η μορφολογία πρέπει να είναι ακριβώς σωστή: εάν η περιοχή φάσης είναι πολύ μεγάλη, τα εξιτόνια θα ανασυνδυαστούν πριν μπορέσουν να διαχωριστούν. Εάν η περιοχή φάσης είναι πολύ μικρή, οι δωρεάν χρεώσεις θα ανασυνδυαστούν επίσης εύκολα. Οι ερευνητές έχουν εξερευνήσει δύο προσεγγίσεις για τον έλεγχο των μιγμάτων πολυμερών:
Επεξεργασία πράσινου διαλύτη: Για την αποφυγή τοξικών αλογονωμένων διαλυτών, οι ερευνητές διερεύνησαν τη χρήση πράσινων διαλυτών όπως ο-ξυλόλιο και ο-μεθυλανισόλη (MA), σε συνδυασμό με ειδικά πρόσθετα (όπως NMP), αναπαράγοντας επιτυχώς την εξαιρετική μορφολογία παρόμοια με αυτή των συστημάτων αλογονωμένων διαλυτών σχεδόν υψηλής απόδοσης chie.
Βελτιστοποίηση μοριακής δομής: Σχεδιάζοντας για να γίνει η ραχοκοκαλιά του πολυμερούς πιο γραμμική, αυξάνοντας τη συζευγμένη περιοχή ή ρυθμίζοντας λεπτές τις πλευρικές αλυσίδες αλκυλίου, η κρυσταλλικότητα και η μοριακή συσκευασία του πολυμερούς μπορούν να ελεγχθούν ενεργά, λαμβάνοντας έτσι ιδανικές μορφολογίες μείγματος.
Ως σημαντικό συστατικό της πράσινης ενέργειας, τα πολυμερή φωτοβολταϊκά υλικά πρωτοστατούν στην τάση του ενεργειακού μετασχηματισμού με τις μοναδικές τους ιδιότητες και πλεονεκτήματα. Με τις συνεχείς τεχνολογικές εξελίξεις και την επέκταση της αγοράς, τα πολυμερή φωτοβολταϊκά υλικά θα επιδείξουν ακόμη ευρύτερες προοπτικές εφαρμογής και τεράστιες δυνατότητες αγοράς στο μέλλον. Ας προσβλέπουμε στα πολυμερή φωτοβολταϊκά υλικά που φέρνουν καθαρότερες, πιο αποδοτικές και βιώσιμες ενεργειακές λύσεις στην ανθρώπινη κοινωνία!
