Kuvittele tulevaisuus, jossa puhelimemme näytöt, rakennusten julkisivut ja jopa teltat voivat helposti tuottaa sähköä-, minkä tekee mahdolliseksi polymeeristen aurinkokennojen (PSC) valtava potentiaali. Verrattuna perinteisiin pii{2}}pohjaisiin aurinkopaneeleihin, PSC:istä on tullut nouseva tähti uudella energiakentällä, sillä niiden ainutlaatuiset edut ovat keveys, joustavuus ja ratkaisu-tulostettavissa suuria-alueita varten. Kaupallisen sovelluksen saavuttamisen ydinpullonkaula on kuitenkin valosähköisen muunnostehokkuuden (PCE) parantaminen. Viimeisen vuosikymmenen aikana PCE on noussut noin 1 prosentista yli 11 prosenttiin, ja yksi tärkeimmistä tämän taustalla olevista syistä on korkean suorituskyvyn -polymeeristen aurinkosähkömateriaalien suunnittelu ja optimointi.
1. Polytiofeenista D-A-kopolymeereihin
Varhainen tutkimus keskittyi polytiofeenihomopolymeereihin, kuten P3HT:hen, mutta niiden kapea absorptiospektri ja korkea HOMO-taso rajoittivat tehokkuutta. Tutkijat ovat rikkoneet tämän rajoituksen molekyylisuunnittelun avulla: esimerkiksi kaksiulotteisten konjugoitujen haarojen, kuten bistiofeenietyleenin, liittäminen polytiofeeniin ei ainoastaan laajentanut absorptiospektriä, vaan myös alentanut HOMO-tasoa noin 0,2 eV, mikä paransi merkittävästi avointa{5}}virtaa{5}}. laite, mikä lisää tehokkuutta 2,41 prosentista 3,18 prosenttiin. Toinen strategia on vähentää alkyyliketjujen määrää ja ottaa käyttöön elektroneja poistavia ryhmiä, kuten esteriryhmiä, jotka voivat myös tehokkaasti alentaa HOMO-energiatasoa ja parantaa merkittävästi Voc-arvoa (esim. PDGBT saavuttaa 0,91 V) ja tehokkuutta (7,2 %).
2. Bentsoditiofeeni (BDT)
Todella vallankumouksellinen läpimurto tuli luovuttaja-akseptorin (D-A) vuorottelevasta kopolymeerirakenteesta. Niistä bentsoditiofeeniyksikkö (BDT) erottui joukosta suuren konjugoituneen tason, suuren liikkuvuuden ja helpon rakenteellisen muuntelun ansiosta. Vuonna 2008 tutkija Hou Jianhui aloitti BDT:n käytön D-A-polymeerisuunnittelussa Yangin tutkimusryhmässä. Myöhemmin BDT:n ja tiofeeni[3,4-b]tiofeeni (TT) yhdistelmästä tuli kultainen pari korkean suorituskyvyn materiaaleille.
BDT{0}}kuten polymeerien potentiaalin tutkimiseksi edelleen voidaan käyttää kaksi-ulotteisia konjugoituja haaroja ja fluorausstrategioita:
Kahden-ulotteisen konjugoidun haaran lisääminen BDT-yksikköön laajentaa huomattavasti molekyylin π-elektronikonjugoitua aluetta. Tämä ei ainoastaan paranna molekyylien välistä vuorovaikutusta ja varauksen siirtokykyä, vaan myös moduloi tehokkaasti absorptiospektriä ja molekyylien energiatasoa. Esimerkiksi PBDTTT-C-T, PTB7-Th ja myöhemmin PBDT-TS1, jotka saavuttivat yli 10 % tehokkuuden läpimurtoja, hyötyivät kaikki tästä suunnittelusta.
BDT:n sivuketjuihin tai TT-akseptoriyksiköihin selektiivisesti viemällä voimakkaasti elektroneja{0}}vetäviä fluoriatomeja voidaan synergistisesti ja merkittävästi vähentää polymeerin HOMO-energiatasoa, mikä parantaa huomattavasti laitteen avoimen-piirin jännitettä. PBT-OF:sta PBT-3F:ksi, kun fluoriatomien lukumäärä kasvaa, Voc kasvaa 0,56 V:sta 0,78 V:iin ja tehokkuus hyppää 4,5 %:sta 8,6 %:iin.
3. Morfologian kontrolli
Korkea suorituskyky ei riipu vain itse materiaalista, vaan myös aktiivisessa kerroksessa olevan donori/akseptori-seoksen muodostaman bulkkiheteroliitoksen mikrorakenteesta. Morfologian on oltava juuri oikea: jos faasialue on liian suuri, eksitonit yhdistyvät uudelleen ennen kuin ne voivat erota; jos vaihealue on liian pieni, myös ilmaiset maksut yhdistyvät helposti uudelleen. Tutkijat ovat tutkineet kahta lähestymistapaa polymeeriseosten hallitsemiseksi:
Vihreä liuotinkäsittely: Välttääkseen myrkyllisiä halogenoituja liuottimia tutkijat tutkivat vihreiden liuottimien, kuten o-ksyleenin ja o-metyylianisolin (MA) käyttöä yhdistettynä erityisiin lisäaineisiin (kuten NMP:hen), jotka toistavat menestyksekkäästi halogenoitujen liuotinjärjestelmien morfologian ja saavuttavat 10 %:n korkean hyötysuhteen.
Molekyylirakenteen optimointi: Suunnittelemalla polymeerin rungosta lineaarisempaa, lisäämällä konjugoitua aluetta tai hienosäätämällä alkyylisivuketjuja, polymeerin kiteisyyttä ja molekyylipakkausta voidaan kontrolloida aktiivisesti, jolloin saadaan ihanteelliset sekoitusmorfologiat.
Tärkeänä vihreän energian komponenttina polymeeriset aurinkosähkömateriaalit johtavat energian muunnostrendiin ainutlaatuisine ominaisuuksineen ja etuineen. Jatkuvan teknologisen kehityksen ja markkinoiden laajentumisen myötä aurinkosähköpolymeerimateriaalit osoittavat entistä laajemmat käyttömahdollisuudet ja valtavan markkinapotentiaalin tulevaisuudessa. Odotamme innolla aurinkosähköisten polymeerimateriaalien tuovan puhtaampia, tehokkaampia ja kestävämpiä energiaratkaisuja ihmisyhteiskuntaan!
