Vernice solare: 8 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Una vernice particolare che produce elettricità diretta dalla luce del sole.

I fotovoltaici organici (OPV) offrono un enorme potenziale come rivestimenti economici in grado di generare elettricità direttamente dalla luce solare. Questi materiali in miscela polimerica possono essere stampati ad alta velocità su ampie aree utilizzando tecniche di lavorazione roll-to-roll, creando l'allettante visione di rivestire ogni tetto e altra superficie adatta dell'edificio con fotovoltaico a basso costo.

Fase 1: Sintesi di NP tramite il processo di miniemulsione

Il metodo di fabbricazione delle nanoparticelle utilizza l'energia ultrasonica fornita tramite un corno ultrasonico inserito nella miscela di reazione per generare una miniemulsione (Figura sopra). Il corno ad ultrasuoni rende possibile la formazione di goccioline sub-micrometriche applicando un'elevata forza di taglio. Una fase liquida acquosa contenente tensioattivo (polare) viene combinata con una fase organica di polimero disciolto in cloroformio (non polare) per generare una macroemulsione, quindi ultrasonicata per formare una miniemulsione. Le goccioline di cloroformio di polimero costituiscono la fase dispersa con una fase acquosa continua. Questa è una modifica del consueto metodo per generare nanoparticelle polimeriche in cui la fase dispersa era monomero liquido.

Immediatamente dopo la miniemulsificazione, il solvente viene rimosso dalle goccioline disperse tramite evaporazione, lasciando nanoparticelle polimeriche. La dimensione finale delle nanoparticelle può essere variata modificando la concentrazione iniziale di tensioattivo nella fase acquosa.

Passaggio 2: sintesi di NP tramite metodi di precipitazione

In alternativa all'approccio della miniemulsione, le tecniche di precipitazione offrono un semplice percorso per la produzione di nanoparticelle polimeriche semiconduttrici tramite l'iniezione di una soluzione di materiale attivo in un secondo solvente di scarsa solubilità.

In quanto tale, la sintesi è rapida, non utilizza tensioattivo, non richiede riscaldamento (e quindi, nessuna ricottura prefabbricata delle nanoparticelle) nella fase di sintesi delle nanoparticelle e può essere facilmente scalata per la sintesi di materiale su larga scala. In generale, è stato dimostrato che le dispersioni hanno una stabilità inferiore e mostrano un cambiamento di composizione a riposo a causa della precipitazione preferenziale di particelle di diversa composizione. Tuttavia, l'approccio della precipitazione offre l'opportunità di includere la sintesi delle nanoparticelle come parte di un processo di stampa attivo, con particelle generate come e quando richiesto. Inoltre, Hirsch et al. hanno mostrato che per successivo spostamento del solvente, è possibile sintetizzare particelle nucleo-guscio invertito in cui la disposizione strutturale è contraria alle energie superficiali intrinseche dei materiali.

Passaggio 3: il sistema di materiali fotovoltaici organici nanoparticellari PFB: F8BT (NPOPV)

Le prime misurazioni dell'efficienza di conversione di potenza dei dispositivi a nanoparticelle PFB:F8BT sotto illuminazione solare hanno riportato dispositivi con Jsc = 1 × 10 -5 A cm^-2 e Voc = 1,38 V, che (assumendo una stima migliore del fattore di riempimento non ricotto (FF) di 0,28 da dispositivi bulk blend) corrisponde a un PCE dello 0,004%.

Le uniche altre misurazioni fotovoltaiche dei dispositivi a nanoparticelle PFB:F8BT erano grafici di efficienza quantistica esterna (EQE). Dispositivi fotovoltaici multistrato fabbricati da nanoparticelle PFB:F8BT, che hanno dimostrato le più elevate efficienze di conversione di potenza osservate per questi materiali di nanoparticelle di polifluorene.

Questa maggiore prestazione è stata ottenuta attraverso il controllo delle energie superficiali dei singoli componenti nella nanoparticella polimerica e l'elaborazione post-deposizione degli strati di nanoparticelle polimeriche. Significativamente, questo lavoro ha mostrato che i dispositivi fotovoltaici organici nanoparticellari fabbricati (NPOPV) erano più efficienti dei dispositivi di miscela standard (Figura più avanti).

Passaggio 4: figura

Confronto delle caratteristiche elettriche di nanoparticelle e dispositivi di eterogiunzione bulk. (a) Variazione della densità di corrente rispetto alla tensione per un PFB a cinque strati: F8BT (poli(9, 9-diottilfluorene-co-N, N'-bis(4-butilfenil)-N, N'-difenil-1, 4-fenilendiammina) (PFB); poli(9, 9-diottilfluorene-co-benzotiadiazolo (F8BT)) nanoparticolato (cerchi pieni) e dispositivo di eterogiunzione bulk (cerchi aperti); (b) variazione dell'efficienza quantistica esterna (EQE) vs..lunghezza d'onda per un nanoparticolato PFB:F8BT a cinque strati (cerchi pieni) e un dispositivo a eterogiunzione bulk (cerchi aperti) Viene anche mostrato (linea tratteggiata) il grafico EQE per il dispositivo a film di nanoparticelle.

L'effetto dei catodi di Ca e Al (due dei materiali per elettrodi più comuni) nei dispositivi OPV basati su dispersioni di nanoparticelle polimeriche (NP) acquose di miscele di polifluorene. Hanno dimostrato che i dispositivi PFB:F8BT NPOPV con catodi Al e Ca/Al mostrano un comportamento qualitativamente molto simile, con un picco PCE di ~ 0,4% per Al e ~ 0,8% per Ca/Al, e che esiste uno spessore ottimizzato distinto per il Dispositivi NP (figura successiva). Lo spessore ottimale è una conseguenza degli effetti fisici concorrenti della riparazione e del riempimento dei difetti per i film sottili [32, 33] e dello sviluppo di stress cracking nei film spessi.

Lo spessore ottimale dello strato in questi dispositivi corrisponde allo spessore critico di fessurazione (CCT) al di sopra del quale si verifica la fessurazione da sforzo, con conseguente bassa resistenza allo shunt e riduzione delle prestazioni del dispositivo.

Passaggio 5: figura

Variazione dell'efficienza di conversione di potenza (PCE) con il numero di strati depositati per dispositivi fotovoltaici organici nanoparticellari (NPOPV) PFB:F8BT fabbricati con un catodo Al (cerchi pieni) e un catodo Ca/Al (cerchi aperti). Sono state aggiunte linee punteggiate e tratteggiate per guidare l'occhio. È stato determinato un errore medio in base alla varianza per un minimo di dieci dispositivi per ogni numero di livelli.

Quindi, i dispositivi F8BT migliorano la dissociazione degli eccitoni rispetto alla corrispondente struttura BHJ. Inoltre, l'uso di un catodo Ca/Al determina la creazione di stati di gap interfacciale (Figura più avanti), che riducono la ricombinazione delle cariche generate dal PFB in questi dispositivi e ripristinano la tensione a circuito aperto al livello ottenuto per un dispositivo BHJ ottimizzato, risultando in un PCE che si avvicina all'1%.

Passaggio 6: figura

Diagrammi del livello energetico per nanoparticelle PFB:F8BT in presenza di calcio. (a) Il calcio si diffonde attraverso la superficie delle nanoparticelle; (b) Il calcio droga il guscio ricco di PFB, producendo stati gap. Il trasferimento di elettroni avviene da stati di gap riempiti che producono calcio; (c) Un eccitone generato su PFB si avvicina al materiale PFB drogato (PFB*), e una lacuna si trasferisce allo stato di gap riempito, producendo un elettrone più energico; (d) Il trasferimento di elettroni da un eccitone generato su F8BT all'orbitale molecolare più basso non occupato PFB di energia più alta (LUMO) o al PFB* LUMO pieno di energia inferiore è ostacolato.

Dispositivi NP-OPV fabbricati da nanoparticelle P3HT: PCBM disperse in acqua che hanno mostrato un'efficienza di conversione di potenza (PCE) dell'1,30% e un'efficienza quantica esterna di picco (EQE) del 35%. Tuttavia, a differenza del sistema PFB:F8BT NPOPV, i dispositivi P3HT:PCBM NPOPV erano meno efficienti delle loro controparti a eterogiunzione bulk. La microscopia a raggi X a trasmissione a scansione (STXM) ha rivelato che lo strato attivo mantiene una morfologia NP altamente strutturata e comprende NP nucleo-guscio costituiti da un nucleo PCBM relativamente puro e un guscio P3HT: PCBM misto (figura successiva). Tuttavia, dopo la ricottura, questi dispositivi NPOPV subiscono un'ampia segregazione di fase e una corrispondente diminuzione delle prestazioni del dispositivo. In effetti, questo lavoro ha fornito una spiegazione per la minore efficienza dei dispositivi ricotti P3HT:PCBM OPV, poiché l'elaborazione termica del film NP si traduce in una struttura effettivamente "sovra-ricotta" con segregazione di fase lorda che si verifica, interrompendo così la generazione e il trasporto di carica.

Passaggio 7: riepilogo delle prestazioni NPOPV

Una sintesi delle prestazioni dei dispositivi NPOPV segnalate negli ultimi anni è presentata in

Tavolo. È chiaro dalla tabella che le prestazioni dei dispositivi NPOPV sono aumentate notevolmente, con un aumento di tre ordini di grandezza.

Passaggio 8: conclusioni e prospettive future

Il recente sviluppo di rivestimenti NPOPV a base d'acqua rappresenta un cambiamento di paradigma nello sviluppo di dispositivi OPV a basso costo. Questo approccio fornisce contemporaneamente il controllo della morfologia ed elimina la necessità di solventi infiammabili volatili nella produzione del dispositivo; due sfide chiave dell'attuale ricerca sui dispositivi OPV. In effetti, lo sviluppo di una vernice solare a base d'acqua offre l'allettante prospettiva di stampare dispositivi OPV di grandi dimensioni utilizzando qualsiasi impianto di stampa esistente. Inoltre, è sempre più riconosciuto che lo sviluppo di un sistema OPV stampabile a base d'acqua sarebbe altamente vantaggioso e che gli attuali sistemi di materiali basati su solventi clorurati non sono adatti per la produzione su scala commerciale. Il lavoro descritto in questa recensione mostra che la nuova metodologia NPOPV è generalmente applicabile e che i PCE dei dispositivi NPOPV possono essere competitivi con i dispositivi costruiti con solventi organici. Tuttavia, questi studi rivelano anche che, dal punto di vista dei materiali, le NP si comportano in modo completamente diverso dalle miscele polimeriche filate da solventi organici. In effetti, le NP sono un sistema materiale completamente nuovo e, come tale, le vecchie regole per la fabbricazione di dispositivi OPV che sono state apprese per i dispositivi OPV a base organica non si applicano più. Nel caso di NPOPV basati su miscele di polifluorene, la morfologia NP si traduce in un raddoppio dell'efficienza del dispositivo. Tuttavia, per le miscele polimero:fullerene (ad es. P3HT:PCBM e P3HT:ICBA), la formazione della morfologia nei film NP è altamente complessa e altri fattori (come la diffusione del nucleo) possono dominare, risultando in strutture ed efficienze del dispositivo non ottimizzate. Le prospettive future per questi materiali sono estremamente promettenti, con l'efficienza dei dispositivi aumentata dallo 0,004% al 4% in meno di cinque anni. La prossima fase di sviluppo riguarderà la comprensione dei meccanismi che determinano la struttura NP e la morfologia del film NP e come questi possono essere controllati e ottimizzati. Ad oggi, la capacità di controllare la morfologia degli strati attivi OPV su scala nanometrica deve ancora essere realizzata. Tuttavia, lavori recenti dimostrano che l'applicazione di materiali NP può consentire il raggiungimento di questo obiettivo.