Представете си бъдеще, в което екраните на нашите телефони, фасадите на сградите и дори палатките могат лесно да генерират електричество-постижение, станало възможно благодарение на огромния потенциал на полимерните слънчеви клетки (PSC). В сравнение с традиционните слънчеви-базирани силициеви панели, PSC, с техните уникални предимства, че са леки, гъвкави и позволяват-отпечатване на решение за производство на устройства с голяма-площ, се превърнаха в изгряваща звезда в новото енергийно поле. Въпреки това, основната пречка за постигане на търговско приложение се крие в подобряването на ефективността на фотоелектричното преобразуване (PCE). През последното десетилетие PCE се повиши от около 1% до над 11% и една от ключовите движещи сили зад това е дизайнът и оптимизацията на високо-ефективни полимерни фотоволтаични материали.
1. От политиофен до D-A съполимери
Ранните изследвания са фокусирани върху политиофенови хомополимери като P3HT, но техният тесен абсорбционен спектър и високо ниво на HOMO ограничават ефективността. Изследователите са преодолели това ограничение чрез молекулярен дизайн: например, въвеждането на дву-дименсионални спрегнати разклонения като бистиофен етилен върху политиофен не само разширява спектъра на абсорбция, но също така понижава нивото на HOMO с приблизително 0,2 eV, значително подобрявайки напрежението на отворена-верига и тока на късо- съединение на устройство, повишаващо ефективността от 2,41% на 3,18%. Друга стратегия е да се намали броят на алкиловите вериги и да се въведат електрон{9}}оттеглящи групи като естерни групи, които също могат ефективно да понижат енергийното ниво на HOMO и значително да подобрят Voc (напр. PDGBT достига 0,91 V) и ефективността (7,2%).
2. Бензодитиофен (BDT)
Истински революционният пробив дойде от променливата съполимерна структура на донор-акцептор (D-A). Сред тях единицата бензодитиофен (BDT) се откроява поради голямата си спрегната равнина, висока мобилност и лесна структурна модификация. През 2008 г. изследователят Hou Jianhui е пионер в използването на BDT в D-A полимерния дизайн в изследователската група на Yang. Впоследствие комбинацията от BDT и тиофен[3,4-b]тиофен (TT) се превърна в златна комбинация за високоефективни материали.
За по-нататъшно изследване на потенциала на BDT-подобни полимери могат да бъдат приети дву-конюгирани разклонения и стратегии за флуориране:
Въвеждането на дву-измерни спрегнати разклонения в единицата BDT значително разширява π-електронната спрегната област на молекулата. Това не само подобрява междумолекулните взаимодействия и възможностите за транспортиране на заряда, но също така ефективно модулира абсорбционния спектър и нивото на молекулярната енергия. Например PBDTTT-C-T, PTB7-Th и по-късно PBDT-TS1, които постигнаха пробив в ефективността от над 10%, всички се възползваха от този дизайн.
Селективното въвеждане на силно електроно{0}}оттеглящи флуорни атоми в страничните вериги или ТТ акцепторни единици на BDT може синергично и значително да намали енергийното ниво на HOMO на полимера, като по този начин значително подобрява напрежението на отворената{1}}верига на устройството. От PBT-OF до PBT-3F, с увеличаване на броя на флуорните атоми, Voc нараства от 0,56 V до 0,78 V, а ефективността скача от 4,5% на 8,6%.
3. Морфологичен контрол
Високата производителност зависи не само от самия материал, но и от микроструктурата на обемния хетеропреход, образуван от сместа донор/акцептор в активния слой. Морфологията трябва да е правилна: ако фазовата област е твърде голяма, екситоните ще се рекомбинират, преди да могат да се разделят; ако фазовият регион е твърде малък, свободните заряди също лесно ще се рекомбинират. Изследователите са изследвали два подхода за контрол на полимерни смеси:
Обработка на зелени разтворители: За да избегнат токсични халогенирани разтворители, изследователите проучиха използването на зелени разтворители като о-ксилен и о-метил анизол (MA), комбинирани със специфични добавки (като NMP), като успешно възпроизвеждат отличната морфология, подобна на тази на системите с халогенирани разтворители и постигайки висока ефективност от близо 10%.
Оптимизиране на молекулярната структура: чрез проектиране, за да направи полимерния скелет по-линеен, увеличаване на конюгираната площ или фино регулиране на алкиловите странични вериги, кристалността и молекулярното опаковане на полимера могат да бъдат активно контролирани, като по този начин се получават идеални морфологии на смесване.
Като важен компонент на зелената енергия, полимерните фотоволтаични материали са водещи в тенденцията за трансформация на енергия със своите уникални свойства и предимства. С непрекъснатия технологичен напредък и разширяване на пазара, полимерните фотоволтаични материали ще демонстрират още по-широки перспективи за приложение и огромен пазарен потенциал в бъдеще. Нека очакваме с нетърпение полимерните фотоволтаични материали, които носят по-чисти, по-ефективни и устойчиви енергийни решения на човешкото общество!
