Pintura Solar: 8 Passos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Uma tinta especial que produz eletricidade direta da luz solar.

Os fotovoltaicos orgânicos (OPVs) oferecem um enorme potencial como revestimentos baratos, capazes de gerar eletricidade diretamente da luz solar. Esses materiais de mistura de polímero podem ser impressos em alta velocidade em grandes áreas usando técnicas de processamento rolo a rolo, criando a visão tentadora de revestir todos os telhados e outras superfícies de construção adequadas com sistemas fotovoltaicos de baixo custo.

Etapa 1: Síntese de NPs por meio do processo de miniemulsão

O método de fabricação de nanopartículas utiliza energia de ultrassom fornecida por meio de uma corneta de ultrassom inserida na mistura de reação para gerar uma miniemulsão (Figura acima). A corneta de ultrassom torna possível a formação de gotículas submicrométricas ao aplicar alta força de cisalhamento. Uma fase contendo surfactante aquoso líquido (polar) é combinada com uma fase orgânica de polímero dissolvido em clorofórmio (não polar) para gerar uma macroemulsão, então ultra-sônica para formar uma miniemulsão. As gotículas de polímero de clorofórmio constituem a fase dispersa com uma fase aquosa contínua. Esta é uma modificação do método usual para gerar nanopartículas de polímero em que a fase dispersa era monômero líquido.

Imediatamente após a miniemulsificação, o solvente é removido das gotículas dispersas por evaporação, deixando nanopartículas de polímero. O tamanho final das nanopartículas pode ser variado mudando a concentração inicial de surfactante na fase aquosa.

Etapa 2: Síntese de NPs por meio de métodos de precipitação

Como alternativa à abordagem de miniemulsão, as técnicas de precipitação oferecem uma rota simples para a produção de nanopartículas de polímero semicondutor por meio da injeção de uma solução de material ativo em um segundo solvente de baixa solubilidade.

Como tal, a síntese é rápida, não usa surfactante, não requer aquecimento (e, portanto, nenhum recozimento de pré-fabricação das nanopartículas) na fase de síntese de nanopartículas e pode ser facilmente ampliada para a síntese em grande escala do material. Em geral, foi demonstrado que as dispersões têm estabilidade inferior e exibem uma mudança de composição em repouso devido à precipitação preferencial de partículas de composição diferente. No entanto, a abordagem de precipitação oferece a oportunidade de inclusão da síntese de nanopartículas como parte de um processo de impressão ativo, com partículas sendo geradas como e quando necessário. Além disso, Hirsch et al. mostraram que, por sucessivos deslocamentos de solvente, é possível sintetizar partículas núcleo-casca invertidas, onde o arranjo estrutural é contrário às energias de superfície inerentes dos materiais.

Etapa 3: O PFB: Sistema de Material Fotovoltaico Orgânico Nanoparticulado F8BT (NPOPV)

As primeiras medições da eficiência de conversão de energia de dispositivos de nanopartículas PFB: F8BT sob iluminação solar relataram dispositivos com um Jsc = 1 × 10 −5 A cm ^ −2 e Voc = 1,38 V, que (assumindo uma melhor estimativa do fator de preenchimento não recozido (FF) de 0,28 de dispositivos de mistura em massa) corresponde a um PCE de 0,004%.

As únicas outras medições fotovoltaicas de dispositivos de nanopartículas PFB: F8BT foram gráficos de eficiência quântica externa (EQE). Dispositivos fotovoltaicos multicamadas fabricados a partir de nanopartículas de PFB: F8BT, que demonstraram a maior eficiência de conversão de energia observada para esses materiais de nanopartículas de polifluoreno.

Este aumento de desempenho foi alcançado através do controle das energias de superfície dos componentes individuais na nanopartícula do polímero e do processamento pós-deposição das camadas das nanopartículas do polímero. Significativamente, este trabalho mostrou que os dispositivos fotovoltaicos orgânicos nanoparticulados fabricados (NPOPV) foram mais eficientes do que os dispositivos de mistura padrão (Figura a seguir).

Etapa 4: Figura

Comparação das características elétricas de nanopartículas e dispositivos de heterojunção em massa. (a) Variação da densidade de corrente vs. voltagem para um PFB de cinco camadas: F8BT (poli (9, 9-dioctilfluoreno-co-N, N'-bis (4-butilfenil) -N, N'-difenil-1, 4-fenilenodiamina) (PFB); poli (9, 9-dioctilfluoreno-co-benzotiadiazol (F8BT)) nanoparticulado (círculos preenchidos) e um dispositivo de heterojunção em massa (círculos abertos); (b) Variação da eficiência quântica externa (EQE) vs. comprimento de onda para um PFB de cinco camadas: nanoparticulado F8BT (círculos preenchidos) e um dispositivo de heterojunção em massa (círculos abertos). Também mostrado (linha tracejada) é o gráfico EQE para o dispositivo de filme nanoparticulado.

O efeito dos cátodos de Ca e Al (dois dos materiais de eletrodo mais comuns) em dispositivos OPV baseados em dispersões de nanopartículas de polímero aquoso (NP) de mistura de polifluoreno. Eles mostraram que os dispositivos PFB: F8BT NPOPV com catodos de Al e Ca / Al exibem um comportamento qualitativamente muito semelhante, com um pico de PCE de ~ 0,4% para Al e ~ 0,8% para Ca / Al, e que há uma espessura otimizada distinta para o Dispositivos NP (próxima figura). A espessura ideal é uma conseqüência dos efeitos físicos concorrentes do reparo e preenchimento de defeitos para filmes finos [32, 33] e do desenvolvimento de trincas por tensão em filmes espessos.

A espessura de camada ideal nestes dispositivos corresponde à espessura crítica de fissuração (CCT) acima da qual ocorre a fissuração por tensão, resultando em baixa resistência de shunt e redução no desempenho do dispositivo.

Etapa 5: Figura

Variação da eficiência de conversão de energia (PCE) com o número de camadas depositadas para dispositivos PFB: F8BT nanoparticulados fotovoltaicos orgânicos (NPOPV) fabricados com um cátodo de Al (círculos preenchidos) e um cátodo de Ca / Al (círculos abertos). Linhas pontilhadas e tracejadas foram adicionadas para guiar o olho. Um erro médio foi determinado com base na variação de um mínimo de dez dispositivos para cada número de camadas.

Assim, os dispositivos F8BT aumentam a dissociação do exciton em relação à estrutura BHJ correspondente. Além disso, o uso de um cátodo de Ca / Al resulta na criação de estados de gap interfacial (Figura a seguir), que reduzem a recombinação das cargas geradas pelo PFB nesses dispositivos e restaura a tensão de circuito aberto ao nível obtido para um dispositivo BHJ otimizado, resultando em um PCE próximo a 1%.

Etapa 6: Figura

Diagramas de nível de energia para nanopartículas de PFB: F8BT na presença de cálcio. (a) O cálcio se difunde através da superfície das nanopartículas; (b) O cálcio embota a casca rica em PFB, produzindo estados de lacuna. A transferência de elétrons ocorre a partir de estados de lacuna preenchidos, produzindo cálcio; (c) Um exciton gerado no PFB se aproxima do material PFB dopado (PFB *), e um buraco é transferido para o estado de gap preenchido, produzindo um elétron mais energético; (d) A transferência de elétrons de um exciton gerado em F8BT para o orbital molecular mais baixo desocupado do PFB (LUMO) ou para o PFB * LUMO de energia inferior preenchido é prejudicada.

Dispositivos NP-OPV fabricados a partir de nanopartículas P3HT: PCBM dispersas em água que exibiram eficiências de conversão de energia (PCEs) de 1,30% e eficiências quânticas externas de pico (EQE) de 35%. No entanto, ao contrário do sistema PFB: F8BT NPOPV, os dispositivos P3HT: PCBM NPOPV foram menos eficientes do que suas contrapartes de heterojunção em massa. A microscopia de transmissão de varredura de raios-X (STXM) revelou que a camada ativa retém uma morfologia NP altamente estruturada e compreende NPs de núcleo-casca que consistem em um núcleo de PCBM relativamente puro e um P3HT: concha de PCBM combinada (próxima Figura). No entanto, após o recozimento, esses dispositivos NPOPV passam por extensa segregação de fase e uma diminuição correspondente no desempenho do dispositivo. Na verdade, este trabalho forneceu uma explicação para a menor eficiência dos dispositivos P3HT: PCBM OPV recozidos, uma vez que o processamento térmico do filme NP resulta em uma estrutura efetivamente "super recozida" com segregação de fase bruta ocorrendo, interrompendo a geração de carga e o transporte.

Etapa 7: Resumo do desempenho de NPOPV

Um resumo do desempenho dos dispositivos NPOPV relatado nos últimos anos é apresentado em

Mesa. É claro na tabela que o desempenho dos dispositivos NPOPV aumentou dramaticamente, com um aumento de três ordens de magnitude.

Etapa 8: Conclusões e Perspectivas Futuras

O recente desenvolvimento de revestimentos NPOPV à base de água representa uma mudança de paradigma no desenvolvimento de dispositivos OPV de baixo custo. Esta abordagem fornece simultaneamente controle da morfologia e elimina a necessidade de solventes inflamáveis voláteis na produção do dispositivo; dois desafios principais da pesquisa atual de dispositivos OPV. Na verdade, o desenvolvimento de uma tinta solar à base de água oferece a perspectiva tentadora de imprimir dispositivos OPV de grandes áreas usando qualquer instalação de impressão existente. Além disso, é cada vez mais reconhecido que o desenvolvimento de um sistema OPV imprimível à base de água seria altamente vantajoso e que os sistemas de materiais atuais baseados em solventes clorados não são adequados para produção em escala comercial. O trabalho descrito nesta revisão mostra que a nova metodologia NPOPV é geralmente aplicável e que dispositivos NPOPV PCEs podem ser competitivos com dispositivos construídos a partir de solventes orgânicos. No entanto, esses estudos também revelam que, do ponto de vista dos materiais, os NPs se comportam de forma completamente diferente das misturas de polímeros fiadas a partir de solventes orgânicos. Efetivamente, os NPs são um sistema de material completamente novo e, como tal, as regras antigas para a fabricação de dispositivos OPV que foram aprendidas para dispositivos OPV de base orgânica não se aplicam mais. No caso de NPOPVs com base em misturas de polifluoreno, a morfologia NP resulta em uma duplicação da eficiência do dispositivo. No entanto, para misturas de polímero: fulereno (por exemplo, P3HT: PCBM e P3HT: ICBA), a formação da morfologia nos filmes NP é altamente complexa e outros fatores (como a difusão do núcleo) podem dominar, resultando em estruturas e eficiências de dispositivo não otimizadas. As perspectivas futuras para esses materiais são extremamente promissoras, com a eficiência dos dispositivos aumentando de 0,004% para 4% em menos de cinco anos. O próximo estágio de desenvolvimento envolverá a compreensão dos mecanismos que determinam a estrutura NP e a morfologia do filme NP e como eles podem ser controlados e otimizados. Até o momento, a capacidade de controlar a morfologia das camadas ativas de OPV em nanoescala ainda não foi realizada. No entanto, trabalhos recentes demonstram que a aplicação de materiais NP pode permitir que esse objetivo seja alcançado.