Cat Surya: 8 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:56

Cat tertentu yang menghasilkan listrik langsung dari sinar matahari.

Fotovoltaik organik (OPV) menawarkan potensi yang sangat besar sebagai pelapis murah yang mampu menghasilkan listrik langsung dari sinar matahari. Bahan campuran polimer ini dapat dicetak dengan kecepatan tinggi di area yang luas menggunakan teknik pemrosesan roll-to-roll, menciptakan visi yang menggiurkan untuk melapisi setiap atap dan permukaan bangunan lain yang sesuai dengan fotovoltaik berbiaya rendah.

Langkah 1: Sintesis NP Melalui Proses Miniemulsi

Metode fabrikasi nanopartikel menggunakan energi ultrasound yang dikirimkan melalui tanduk ultrasound yang dimasukkan ke dalam campuran reaksi untuk menghasilkan miniemulsi (Gambar di atas). Tanduk ultrasound memungkinkan pembentukan tetesan sub-mikrometer dengan menerapkan gaya geser yang tinggi. Fase cair yang mengandung surfaktan (polar) dikombinasikan dengan fase organik polimer yang dilarutkan dalam kloroform (non-polar) untuk menghasilkan makroemulsi, kemudian diultraskan untuk membentuk miniemulsi. Tetesan kloroform polimer merupakan fase terdispersi dengan fase kontinu berair. Ini adalah modifikasi dari metode biasa untuk menghasilkan nanopartikel polimer di mana fase terdispersi adalah monomer cair.

Segera setelah miniemulsifikasi, pelarut dihilangkan dari tetesan terdispersi melalui penguapan, meninggalkan nanopartikel polimer. Ukuran nanopartikel akhir dapat divariasikan dengan mengubah konsentrasi awal surfaktan dalam fase air.

Langkah 2: Sintesis NP Melalui Metode Pengendapan

Sebagai alternatif pendekatan miniemulsi, teknik presipitasi menawarkan rute sederhana untuk produksi nanopartikel polimer semikonduktor melalui injeksi larutan bahan aktif ke dalam pelarut kedua dengan kelarutan yang buruk.

Dengan demikian, sintesisnya cepat, tidak menggunakan surfaktan, tidak memerlukan pemanasan (dan oleh karena itu, tidak ada prefabrication annealing dari nanopartikel) dalam fase sintesis nanopartikel dan dapat dengan mudah ditingkatkan untuk sintesis material skala besar. Secara umum, dispersi telah terbukti memiliki stabilitas yang lebih rendah dan menunjukkan perubahan komposisi pada berdiri karena pengendapan preferensi partikel komposisi yang berbeda. Namun, pendekatan presipitasi memang menawarkan kesempatan untuk memasukkan sintesis nanopartikel sebagai bagian dari proses pencetakan aktif, dengan partikel yang dihasilkan sesuai kebutuhan. Selanjutnya, Hirsch et al. telah menunjukkan bahwa dengan perpindahan pelarut yang berurutan, adalah mungkin untuk mensintesis partikel kulit inti terbalik di mana susunan strukturalnya berlawanan dengan energi permukaan yang melekat pada bahan.

Langkah 3: Sistem Material PFB: F8BT Nanoparticulate Organic Photovoltaic (NPOPV)

Pengukuran awal efisiensi konversi daya perangkat nanopartikel PFB:F8BT di bawah iluminasi matahari melaporkan perangkat dengan Jsc = 1 × 10 5 A cm^−2 dan Voc = 1,38 V, yang (dengan asumsi perkiraan terbaik faktor pengisian tanpa proses (FF)) 0,28 dari perangkat campuran massal) sesuai dengan PCE 0,004%.

Satu-satunya pengukuran fotovoltaik lain dari perangkat nanopartikel PFB:F8BT adalah plot efisiensi kuantum eksternal (EQE). Perangkat fotovoltaik berlapis-lapis yang dibuat dari nanopartikel PFB:F8BT, yang menunjukkan efisiensi konversi daya tertinggi yang diamati untuk bahan nanopartikel polifluorena ini.

Peningkatan kinerja ini dicapai melalui kontrol energi permukaan masing-masing komponen dalam nanopartikel polimer dan pemrosesan pasca-deposisi dari lapisan nanopartikel polimer. Secara signifikan, pekerjaan ini menunjukkan bahwa perangkat fotovoltaik organik nanopartikel (NPOPV) yang dibuat lebih efisien daripada perangkat campuran standar (Gambar nanti).

Langkah 4: Gambar

Perbandingan karakteristik listrik dari nanopartikel dan perangkat heterojunction massal. (a) Variasi rapat arus vs. tegangan untuk lima lapis PFB:F8BT (poli(9, 9-dioctylfluorene-co-N, N'-bis(4-butylphenyl)-N, N'-diphenyl-1, 4-phenylenediamine) (PFB); poli(9, 9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole (F8BT)) nanopartikulat (lingkaran penuh) dan perangkat heterojunction massal (lingkaran terbuka); (b) Variasi efisiensi kuantum eksternal (EQE) vs panjang gelombang untuk lima lapis PFB:F8BT nanopartikulat (lingkaran terisi) dan perangkat heterojunction massal (lingkaran terbuka) Juga ditampilkan (garis putus-putus) adalah plot EQE untuk perangkat film nanopartikel.

Pengaruh katoda Ca dan Al (dua bahan elektroda yang paling umum) dalam perangkat OPV berdasarkan dispersi polifluorena campuran polimer berair nanopartikel (NP). Mereka menunjukkan bahwa perangkat NPOPV PFB:F8BT dengan katoda Al dan Ca/Al menunjukkan perilaku yang sangat mirip secara kualitatif, dengan PCE puncak ~0,4% untuk Al dan ~0,8% untuk Ca/Al, dan bahwa ada ketebalan optimal yang berbeda untuk Perangkat NP (Gambar berikutnya). Ketebalan optimal adalah konsekuensi dari efek fisik yang bersaing dari perbaikan dan pengisian cacat untuk film tipis [32, 33] dan pengembangan retak tegangan pada film tebal.

Ketebalan lapisan yang optimal dalam perangkat ini sesuai dengan ketebalan retak kritis (CCT) di mana retak tegangan terjadi, menghasilkan resistansi shunt yang rendah dan penurunan kinerja perangkat.

Langkah 5: Gambar

Variasi efisiensi konversi daya (PCE) dengan jumlah lapisan yang diendapkan untuk perangkat fotovoltaik organik nanopartikel PFB:F8BT (NPOPV) yang dibuat dengan katoda Al (lingkaran penuh) dan katoda Ca/Al (lingkaran terbuka). Garis putus-putus dan putus-putus telah ditambahkan untuk memandu mata. Kesalahan rata-rata telah ditentukan berdasarkan varians untuk minimal sepuluh perangkat untuk setiap jumlah lapisan.

Jadi, perangkat F8BT meningkatkan disosiasi eksiton relatif terhadap struktur BHJ yang sesuai. Selain itu, penggunaan katoda Ca/Al menghasilkan penciptaan keadaan celah antar muka (Gambar selanjutnya), yang mengurangi rekombinasi muatan yang dihasilkan oleh PFB dalam perangkat ini dan mengembalikan tegangan rangkaian terbuka ke tingkat yang diperoleh untuk perangkat BHJ yang dioptimalkan, menghasilkan PCE mendekati 1%.

Langkah 6: Gambar

Diagram tingkat energi untuk nanopartikel PFB:F8BT dengan adanya kalsium. (a) Kalsium berdifusi melalui permukaan nanopartikel; (b) Kalsium mengolesi cangkang yang kaya PFB, menghasilkan keadaan celah. Transfer elektron terjadi dari kalsium yang menghasilkan keadaan celah terisi; (c) Exciton yang dihasilkan pada PFB mendekati bahan PFB yang didoping (PFB*), dan transfer lubang ke keadaan celah terisi, menghasilkan elektron yang lebih energik; (d) Transfer elektron dari eksiton yang dihasilkan pada F8BT ke orbital molekul kosong terendah (LUMO) PFB berenergi lebih tinggi atau PFB* LUMO berenergi lebih rendah yang terisi terhambat.

Perangkat NP-OPV dibuat dari nanopartikel P3HT:PCBM yang terdispersi dalam air yang menunjukkan efisiensi konversi daya (PCE) sebesar 1,30% dan efisiensi kuantum eksternal puncak (EQE) sebesar 35%. Namun, tidak seperti sistem NPOPV PFB:F8BT, perangkat NPOPV P3HT:PCBM kurang efisien dibandingkan rekan heterojungsi massalnya. Scanning transmission X-ray microscopy (STXM) mengungkapkan bahwa lapisan aktif mempertahankan morfologi NP yang sangat terstruktur dan terdiri dari NP core-shell yang terdiri dari inti PCBM yang relatif murni dan campuran P3HT:PCBM shell (Gambar berikutnya). Namun, setelah anil, perangkat NPOPV ini mengalami pemisahan fase yang luas dan penurunan kinerja perangkat yang sesuai. Memang, pekerjaan ini memberikan penjelasan untuk efisiensi yang lebih rendah dari perangkat P3HT: PCBM OPV anil, karena pemrosesan termal film NP menghasilkan struktur "over-anil" yang efektif dengan pemisahan fase kotor yang terjadi, sehingga mengganggu pembangkitan dan transportasi muatan.

Langkah 7: Ringkasan Kinerja NPOPV

Ringkasan kinerja perangkat NPOPV yang dilaporkan selama beberapa tahun terakhir disajikan di

Meja. Jelas dari tabel bahwa kinerja perangkat NPOPV telah meningkat secara dramatis, dengan kenaikan tiga kali lipat.

Langkah 8: Kesimpulan dan Pandangan ke Depan

Perkembangan terkini pelapis NPOPV berbasis air menunjukkan perubahan paradigma dalam pengembangan perangkat OPV berbiaya rendah. Pendekatan ini secara bersamaan memberikan kontrol morfologi dan menghilangkan kebutuhan akan pelarut yang mudah menguap dalam produksi perangkat; dua tantangan utama penelitian perangkat OPV saat ini. Memang, pengembangan cat surya berbasis air menawarkan prospek yang menggiurkan untuk mencetak perangkat OPV area luas menggunakan fasilitas pencetakan yang ada. Selain itu, semakin diakui bahwa pengembangan sistem OPV cetak berbasis air akan sangat menguntungkan dan bahwa sistem material saat ini berdasarkan pelarut terklorinasi tidak cocok untuk produksi skala komersial. Pekerjaan yang dijelaskan dalam tinjauan ini menunjukkan bahwa metodologi NPOPV baru secara umum dapat diterapkan dan bahwa PCE perangkat NPOPV dapat bersaing dengan perangkat yang dibuat dari pelarut organik. Namun, studi ini juga mengungkapkan bahwa, dari sudut pandang material, NP berperilaku sangat berbeda dari campuran polimer yang dipintal dari pelarut organik. Secara efektif, NP adalah sistem material yang benar-benar baru, dan dengan demikian, aturan lama untuk fabrikasi perangkat OPV yang telah dipelajari untuk perangkat OPV berbasis organik tidak berlaku lagi. Dalam kasus NPOPV berdasarkan campuran polifluorena, morfologi NP menghasilkan dua kali lipat efisiensi perangkat. Namun, untuk campuran polimer:fullerene (misalnya, P3HT:PCBM dan P3HT:ICBA), pembentukan morfologi dalam film NP sangat kompleks, dan faktor lain (seperti difusi inti) dapat mendominasi, menghasilkan struktur dan efisiensi perangkat yang tidak dioptimalkan. Prospek masa depan untuk bahan-bahan ini sangat menjanjikan, dengan efisiensi perangkat meningkat dari 0,004% menjadi 4% dalam waktu kurang dari lima tahun. Tahap pengembangan selanjutnya akan melibatkan pemahaman mekanisme yang menentukan struktur NP dan morfologi film NP dan bagaimana ini dapat dikontrol dan dioptimalkan. Sampai saat ini, kemampuan untuk mengontrol morfologi lapisan aktif OPV pada skala nano belum dapat direalisasikan. Namun, pekerjaan terbaru menunjukkan bahwa penerapan bahan NP memungkinkan tujuan ini tercapai.