Iedomājieties nākotni, kurā mūsu tālruņu ekrāni, ēku fasādes un pat teltis var viegli ģenerēt elektrību{0}}, kas ir iespējams, pateicoties milzīgajam polimēru saules bateriju (PSC) potenciālam. Salīdzinājumā ar tradicionālajiem silīcija-saules paneļiem, PSC ar to unikālajām priekšrocībām, proti, to vieglums, elastīgums un risinājums, kas ir-drukājams lielas-platības ierīču ražošanai, ir kļuvuši par uzlecošo zvaigzni jaunajā enerģijas jomā. Tomēr galvenais šķērslis komerciālai izmantošanai ir fotoelektriskās konversijas efektivitātes (PCE) uzlabošana. Pēdējo desmit gadu laikā PCE ir palielinājies no aptuveni 1% līdz vairāk nekā 11%, un viens no galvenajiem virzītājspēkiem ir augstas veiktspējas polimēru fotoelektrisko materiālu projektēšana un optimizēšana.
1. No politiofēna līdz D-A kopolimēriem
Agrīnie pētījumi bija vērsti uz politiofēna homopolimēriem, piemēram, P3HT, taču to šaurais absorbcijas spektrs un augstais HOMO līmenis ierobežoja efektivitāti. Pētnieki ir pārkāpuši šo ierobežojumu, izmantojot molekulāro dizainu: piemēram, divu-dimensiju konjugētu zaru, piemēram, bistiofēna etilēna, iekļaušana politiofēnā ne tikai paplašināja absorbcijas spektru, bet arī pazemināja HOMO līmeni par aptuveni 0,2 eV, ievērojami uzlabojot īssavienojuma strāvu{5}. ierīci, palielinot efektivitāti no 2,41% līdz 3,18%. Vēl viena stratēģija ir samazināt alkilķēžu skaitu un ieviest elektronu izvadošās grupas, piemēram, esteru grupas, kas var arī efektīvi pazemināt HOMO enerģijas līmeni un būtiski uzlabot Voc (piemēram, PDGBT sasniedz 0,91 V) un efektivitāti (7,2%).
2. Benzoditiofēns (BDT)
Patiesi revolucionārs izrāviens bija donora-akceptora (D-A) mainīgā kopolimēra struktūra. Starp tiem benzoditiofēna (BDT) vienība izcēlās ar savu lielo konjugēto plakni, augstu mobilitāti un vieglu struktūras modifikāciju. 2008. gadā pētnieks Hou Dzjanhujs Jangas pētniecības grupā aizsāka BDT izmantošanu D-A polimēru dizainā. Pēc tam BDT un tiofēna[3,4-b]tiofēna (TT) kombinācija kļuva par zelta pāri augstas veiktspējas materiāliem.
Lai sīkāk izpētītu BDT{0}}līdzīgu polimēru potenciālu, var izmantot divdimensiju konjugētu zaru un fluorēšanas stratēģijas:
Divu{0}}dimensiju konjugētu zaru ieviešana BDT vienībā ievērojami paplašina molekulas π-elektronu konjugēto laukumu. Tas ne tikai uzlabo starpmolekulāro mijiedarbību un lādiņu transportēšanas iespējas, bet arī efektīvi modulē absorbcijas spektru un molekulārās enerģijas līmeni. Piemēram, PBDTTT-C-T, PTB7-Th un vēlāk PBDT-TS1, kuru efektivitātes uzlabojumi pārsniedza 10%, visi guva labumu no šī dizaina.
BDT sānu ķēdēs vai TT akceptoru vienībās selektīvi ievadot spēcīgus elektronu-izvelkošus fluora atomus, var sinerģiski un būtiski samazināt polimēra HOMO enerģijas līmeni, tādējādi ievērojami uzlabojot ierīces atvērtās-ķēdes spriegumu. No PBT-OF uz PBT-3F, palielinoties fluora atomu skaitam, Voc palielinās no 0,56 V līdz 0,78 V, un efektivitāte palielinās no 4,5% līdz 8,6%.
3. Morfoloģijas kontrole
Augsta veiktspēja ir atkarīga ne tikai no paša materiāla, bet arī no lielapjoma heterosavienojuma mikrostruktūras, ko veido donora/akceptora maisījums aktīvajā slānī. Morfoloģijai ir jābūt pareizai: ja fāzes apgabals ir pārāk liels, eksitoni rekombinēsies, pirms tie var atdalīties; ja fāzes reģions ir pārāk mazs, arī bezmaksas maksas tiks viegli apvienotas. Pētnieki ir izpētījuši divas pieejas polimēru maisījumu kontrolei:
Apstrāde ar zaļo šķīdinātāju izmantošanu: lai izvairītos no toksiskiem halogenētiem šķīdinātājiem, pētnieki pētīja tādu zaļo šķīdinātāju kā o-ksilola un o-metilanizola (MA) izmantošanu kopā ar īpašām piedevām (piemēram, NMP), kas veiksmīgi atkārto lielisko morfoloģiju, kas ir līdzīga halogenētu šķīdinātāju sistēmu morfoloģijai un sasniedza augstu efektivitāti gandrīz 10%.
Molekulārās struktūras optimizācija: izstrādājot polimēra mugurkaulu lineārāku, palielinot konjugēto laukumu vai precīzi pielāgojot alkilsānu ķēdes, var aktīvi kontrolēt polimēra kristāliskumu un molekulāro iepakojumu, tādējādi iegūstot ideālas maisījuma morfoloģijas.
Polimēru fotoelektriskie materiāli kā svarīga zaļās enerģijas sastāvdaļa ar savām unikālajām īpašībām un priekšrocībām ir enerģijas pārveidošanas tendences vadošā loma. Ar nepārtrauktu tehnoloģiju attīstību un tirgus paplašināšanos, polimēru fotoelektriskie materiāli parādīs vēl plašākas pielietojuma perspektīvas un milzīgu tirgus potenciālu nākotnē. Gaidīsim polimēru fotoelektriskos materiālus, kas cilvēku sabiedrībai nodrošinās tīrākus, efektīvākus un ilgtspējīgākus enerģijas risinājumus!
