Представьте себе будущее, в котором экраны наших телефонов, фасады зданий и даже палатки смогут легко генерировать электроэнергию-, что стало возможным благодаря огромному потенциалу полимерных солнечных элементов (PSC). По сравнению с традиционными солнечными панелями на основе кремния-, PSC, обладающие уникальными преимуществами, заключающимися в легкости, гибкости и возможности-печати для изготовления устройств на больших-площадях, стали восходящей звездой в новой области энергетики. Однако основным узким местом на пути коммерческого применения является повышение эффективности фотоэлектрического преобразования (PCE). За последнее десятилетие доля PCE выросла примерно с 1% до более чем 11%, и одной из ключевых движущих сил этого является разработка и оптимизация высокоэффективных полимерных фотоэлектрических материалов.
1. От политиофена к сополимерам D-A.
Ранние исследования были сосредоточены на гомополимерах политиофена, таких как P3HT, но их узкий спектр поглощения и высокий уровень ВЗМО ограничивали эффективность. Исследователи преодолели это ограничение с помощью молекулярного дизайна: например, введение двумерных сопряженных разветвлений, таких как бистиофен-этилен, в политиофен не только расширило спектр поглощения, но и снизило уровень ВЗМО примерно на 0,2 эВ, что значительно улучшило напряжение холостого хода и ток короткого-замыкания устройства, повысив эффективность с 2,41 % до 3,18 %. Другая стратегия состоит в том, чтобы уменьшить количество алкильных цепей и ввести электроноакцепторные группы, такие как сложноэфирные группы, которые также могут эффективно снизить уровень энергии ВЗМО и значительно улучшить Voc (например, PDGBT достигает 0,91 В) и эффективность (7,2%).
2. Бензодитиофен (БДТ).
Поистине революционный прорыв произошел благодаря чередующейся структуре донорно-акцепторного сополимера (D-A). Среди них бензодитиофеновое (БДТ) звено выделялось большой сопряженной плоскостью, высокой подвижностью и легкостью структурной модификации. В 2008 году исследователь Хоу Цзяньхуэй в исследовательской группе Янга впервые применил BDT при разработке полимера D-A. Впоследствии комбинация БДТ и тиофена[3,4-b]тиофена (ТТ) стала золотой парой для создания высокоэффективных материалов.
Для дальнейшего изучения потенциала полимеров,-подобных BDT, можно использовать двумерные сопряженные разветвления и стратегии фторирования:
Введение в блок БДТ двумерных сопряженных ветвей значительно расширяет π-электронную сопряженную область молекулы. Это не только усиливает межмолекулярные взаимодействия и возможности переноса заряда, но также эффективно модулирует спектр поглощения и уровень энергии молекул. Например, PBDTTT-C-T, PTB7-Th, а затем и PBDT-TS1, которые достигли повышения эффективности более чем на 10 %, все получили выгоду от этой конструкции.
Избирательное введение сильно электроно-акцепторных атомов фтора в боковые цепи или акцепторные единицы ТТ BDT может синергически и значительно снизить уровень энергии ВЗМО полимера, тем самым значительно улучшая напряжение разомкнутой цепи устройства. От ПБТ-ОФ к ПБТ-3Ф при увеличении числа атомов фтора Voc увеличивается с 0,56 В до 0,78 В, а КПД подскакивает с 4,5% до 8,6%.
3. Контроль морфологии
Высокая производительность зависит не только от самого материала, но и от микроструктуры объемного гетероперехода, образованного донорно-акцепторной смесью в активном слое. Морфология должна быть правильной: если фазовая область слишком велика, экситоны будут рекомбинировать, прежде чем они смогут разделиться; если фазовая область слишком мала, свободные заряды также легко рекомбинируются. Исследователи изучили два подхода к контролю полимерных смесей:
Обработка зелеными растворителями. Чтобы избежать использования токсичных галогенированных растворителей, исследователи изучили возможность использования зеленых растворителей, таких как о-ксилол и о-метиланизол (МА), в сочетании со специальными добавками (такими как NMP), успешно воспроизводя превосходную морфологию, аналогичную морфологии систем галогенированных растворителей, и достигая высокой эффективности почти 10%.
Оптимизация молекулярной структуры. Путем разработки, позволяющей сделать основную цепь полимера более линейной, увеличить площадь сопряжения или точно отрегулировать алкильные боковые цепи, можно активно контролировать кристалличность и молекулярную упаковку полимера, тем самым получая идеальную морфологию смеси.
Являясь важным компонентом зеленой энергетики, полимерные фотоэлектрические материалы возглавляют тенденцию преобразования энергии благодаря своим уникальным свойствам и преимуществам. Благодаря постоянному технологическому прогрессу и расширению рынка полимерные фотоэлектрические материалы продемонстрируют еще более широкие перспективы применения и огромный рыночный потенциал в будущем. Давайте с нетерпением ждем полимерных фотоэлектрических материалов, которые принесут более чистые, более эффективные и устойчивые энергетические решения для человеческого общества!
