Các nhà nghiên cứu sử dụng kỹ thuật phân tử để cải thiện hiệu suất pin mặt trời hữu cơ
Bởi ĐẠI HỌC TSINGHUA NGÀY 9 THÁNG 12 NĂM 2023
Các nhà nghiên cứu đã đạt được tiến bộ đáng kể trong công nghệ pin mặt trời polymer bằng cách phát triển một phương pháp cải thiện tương tác phân tử bằng kỹ thuật chuỗi bên. Cách tiếp cận này giúp loại bỏ nhu cầu về dung môi xử lý halogen hóa độc hại, từ đó nâng cao hiệu quả và độ ổn định của tế bào. Nghiên cứu nêu bật những lợi ích của chuỗi bên dựa trên oligoethylene glycol (OEG), đánh dấu một bước quan trọng hướng tới pin mặt trời hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn, phù hợp cho các thiết bị đeo được. Tín dụng: SciTechDaily
Pin mặt trời polymer, được biết đến với trọng lượng nhẹ và tính linh hoạt, rất lý tưởng cho các thiết bị đeo được. Tuy nhiên, việc sử dụng chúng rộng rãi hơn bị cản trở bởi các dung môi halogen hóa độc hại cần thiết trong quá trình sản xuất. Những dung môi này gây ra rủi ro về môi trường và sức khỏe, hạn chế sự hấp dẫn của các pin mặt trời này. Thật không may, các dung môi thay thế ít độc hại hơn lại thiếu độ hòa tan tương tự, đòi hỏi nhiệt độ cao hơn và thời gian xử lý kéo dài.
Sự kém hiệu quả này càng cản trở việc sử dụng pin mặt trời polymer. Phát triển một phương pháp loại bỏ nhu cầu sử dụng dung môi halogen hóa có thể nâng cao đáng kể hiệu quả của pin mặt trời hữu cơ, khiến chúng phù hợp hơn với công nghệ thiết bị đeo.
Trong một bài báo được xuất bản gần đây, các nhà nghiên cứu phác thảo cách cải thiện tương tác phân tử giữa chất cho polyme và chất nhận phân tử nhỏ bằng kỹ thuật chuỗi bên có thể làm giảm nhu cầu về dung môi xử lý halogen hóa.
Bài báo gần đây đã được xuất bản trên tạp chí Năng lượng nghiên cứu Nano.
“Hình thái pha trộn của chất cho polyme và chất nhận phân tử nhỏ bị ảnh hưởng nhiều bởi sự tương tác phân tử của chúng, điều này có thể được xác định bằng năng lượng bề mặt giữa vật liệu cho và chất nhận. Khi giá trị sức căng bề mặt của chúng tương tự nhau, năng lượng bề mặt và tương tác phân tử giữa chất cho và chất nhận dự kiến sẽ thuận lợi hơn”, Yun-Hi Kim, giáo sư tại Đại học Quốc gia Kyungsang ở Jinju, Hàn Quốc, cho biết. “Để nâng cao tính ưa nước của các chất cho polyme và giảm sự hòa trộn phân tử, kỹ thuật chuỗi bên có thể là một con đường hợp lý.”
Vai trò của kỹ thuật chuỗi bên
Kỹ thuật chuỗi bên là khi một nhóm hóa học, được gọi là chuỗi bên, được thêm vào chuỗi chính của phân tử. Các nhóm hóa học trong chuỗi bên ảnh hưởng đến tính chất của phân tử lớn hơn. Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng việc bổ sung chuỗi bên dựa trên oligoethylene glycol (OEG) sẽ cải thiện tính ưa nước của các nhà tài trợ polymer nhờ các nguyên tử oxy trong chuỗi bên. Một phân tử có tính ưa nước bị thu hút bởi nước.
Hỗn hợp hydrocarbon và oligoethylene glycol ưa nước (2EG) hoạt động tốt hơn dung môi tiêu chuẩn khi được sử dụng trong quá trình tạo PSC, dựa trên hiệu suất tổng thể và độ ổn định nhiệt. Nguồn: Năng lượng nghiên cứu Nano, Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa
Sự khác biệt về tính ưa nước của chất cho polyme và chất nhận phân tử nhỏ có thể ảnh hưởng đến cách chúng tương tác. Với tính ưa nước ngày càng tăng của các chất cho polyme và sự tương tác được cải thiện giữa chúng với các chất nhận phân tử nhỏ, các dung môi xử lý không halogen hóa có thể được sử dụng mà không làm giảm hiệu suất của pin mặt trời. Trên thực tế, pin mặt trời polyme được chế tạo bằng chuỗi bên dựa trên OEG gắn với chất cho polyme dựa trên benzodithiophene có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn ở mức 17,7% so với 15,6%.
Nâng cao hiệu quả và tính ổn định
Để so sánh kết quả, các nhà nghiên cứu đã thiết kế các chất cho polyme gốc benzodithiophene với chuỗi bên OEG, chuỗi bên hydrocarbon hoặc chuỗi bên chứa 50% hydrocarbon và 50% OEG. Kim cho biết: “Điều này làm sáng tỏ tác động của kỹ thuật chuỗi bên đối với hình thái hỗn hợp và hiệu suất của pin mặt trời polyme được xử lý bằng dung môi không halogen hóa”. “Phát hiện của chúng tôi chứng minh rằng các polyme có chuỗi bên OEG ưa nước có thể tăng cường khả năng trộn lẫn với các chất nhận phân tử nhỏ và cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng cũng như độ ổn định của thiết bị của pin mặt trời polyme trong quá trình xử lý không halogen hóa.”
Ngoài hiệu suất chuyển đổi năng lượng được cải thiện, pin mặt trời polyme với chuỗi bên dựa trên OEG còn tăng cường độ ổn định nhiệt. Độ ổn định nhiệt là điều cần thiết để mở rộng quy mô pin mặt trời polymer, vì vậy các nhà nghiên cứu đã làm nóng chúng đến 120 độ C rồi so sánh hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Sau 120 giờ gia nhiệt, các polyme có chuỗi bên hydrocarbon chỉ có 60% hiệu suất chuyển đổi năng lượng ban đầu và có những điểm không đồng đều trên bề mặt, trong khi hỗn hợp hydrocarbon và OEG giữ lại 84% hiệu suất chuyển đổi năng lượng ban đầu.
Kim cho biết: “Kết quả của chúng tôi có thể cung cấp một hướng dẫn hữu ích cho việc thiết kế các nhà tài trợ polyme để sản xuất pin mặt trời polyme hiệu quả và ổn định bằng cách sử dụng quy trình xử lý dung môi không halogen hóa”.
Tham khảo: “Các nhà cung cấp polyme có chuỗi bên ưa nước tạo điều kiện cho poly ổn định nhiệt và hiệu quả
pin mặt trời bằng cách xử lý dung môi không halogen hóa” của Soodeok Seo, Jun-Young Park, Jin Su Park, Seungjin Lee, Do-Yeong Choi, Yun-Hi Kim và Bumjoon J. Kim, ngày 24 tháng 7 năm 2023, Nano Research Energy.
DOI: 10.26599/NRE.2023.9120088
Những người đóng góp khác bao gồm Soodeok Seo, Jin Su Park và Bumjoon J. Kim của Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc; Park Jun-Young và Do-Yeong Choi của Đại học Quốc gia Kyungsang; và Seungjin Lee thuộc Viện nghiên cứu công nghệ hóa học Hàn Quốc.
Viện Đánh giá và Quy hoạch Năng lượng Hàn Quốc và Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hàn Quốc đã tài trợ cho nghiên cứu này.
