Một cách tiếp cận mới để nâng cao hiệu quả của pin mặt trời nhận điện tử dạng vòng không hợp nhất
Hiệu suất thiết bị. Nhà cung cấp: Năng lượng thiên nhiên (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01564-0
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) của pin mặt trời hữu cơ dựa trên các hợp chất được gọi là chất cho polyme và chất nhận điện tử vòng hợp nhất (FREA) gần đây đã vượt quá 19%. Ngược lại, pin mặt trời hữu cơ dựa trên các chất nhận điện tử vòng không hợp nhất (NFREA), các hợp chất giá cả phải chăng hơn được đặc trưng bởi các vòng thơm không hợp nhất (tức là riêng biệt), cho đến nay cho thấy hiệu suất đáng thất vọng khoảng 16%.
Vì việc tổng hợp NFREA rẻ hơn đáng kể so với việc tổng hợp FREA nên việc phát triển pin mặt trời hiệu quả hơn dựa trên những vật liệu này có thể có ý nghĩa quan trọng. Cụ thể, nó có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng rộng rãi pin mặt trời hữu cơ, do đó có khả năng góp phần giảm lượng khí thải và giảm thiểu các vấn đề môi trường.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Giao thông Thượng Hải, Đại học Thanh Đảo và các viện nghiên cứu khác ở Trung Quốc gần đây đã đề xuất một phương pháp mới để chế tạo pin mặt trời hữu cơ hiệu quả hơn dựa trên NFRA. Cách tiếp cận này, được nêu trong một bài báo xuất bản trong Nature Energy, dựa vào việc sử dụng dung môi dựa trên chloroform (CF) và o-xylene (OXY), cũng như chất phụ gia thể rắn giúp tăng cường hơn nữa quá trình kết tinh trong NFRA, do đó cho phép PCE cao hơn trong pin mặt trời dựa trên các hợp chất này.
Rui Zeng, Ming Zhang và các đồng nghiệp của họ viết trong bài báo: “Các chất nhận điện tử vòng không hợp nhất (NFREA) có khả năng có chi phí tổng hợp thấp hơn so với các chất được hợp nhất của chúng”. "Tuy nhiên, độ phẳng khung thấp và sự hiện diện của các nhóm thế cồng kềnh ảnh hưởng xấu đến độ kết tinh của NFREA, cản trở sự vận chuyển điện tích và hình thành hình thái nhị phân trong pin mặt trời hữu cơ. Chúng tôi cho thấy rằng một hệ dung môi nhị phân có thể kiểm soát riêng lẻ quá trình kết tinh và tách pha của polyme cho (ví dụ: D18) và NFREA (ví dụ: 2BTh-2F-C2)."
Lựa chọn vật liệu và dung môi. a, Cấu trúc hóa học của D18, 2BTh-2F-C2 và các dung môi liên quan. Các dung môi có độ bay hơi thấp và độ hòa tan thấp đối với chất cho polyme được đóng khung trong hộp màu xanh lam; dung môi có độ bay hơi cao và độ hòa tan thấp đối với chất cho polyme được đóng khung bằng hộp màu tím; dung môi có độ bay hơi thấp và độ hòa tan cao đối với chất cho polyme được đóng khung bằng hộp màu xanh lá cây; dung môi có độ bay hơi cao và độ hòa tan cao đối với chất cho polyme được đóng khung bằng hộp màu xanh tím. b, Độ hòa tan của D18 trong các dung môi khác nhau trong sơ đồ δv–δh (δh, tương tác liên kết hydro phân tử; δv, δV = √δ2 D + δ2 P ). c, Sự hấp thụ chuẩn hóa của D18 trong các dung môi khác nhau. Hình chữ nhật màu xanh biểu thị đỉnh hấp thụ của D18 trong dung môi tốt; hình chữ nhật màu tím tượng trưng cho đỉnh hấp thụ của D18 trong dung môi xấu. d, Sơ đồ phân loại dung môi dựa trên áp suất hơi và độ hòa tan. Dung môi tốt có chỉ số ĐỎ nhỏ hơn 1, nằm trong phạm vi hòa tan; dung môi xấu có chỉ số RED lớn hơn 1 và số RED càng lớn thì độ hòa tan càng kém. e, Áp suất hơi là hàm số của phần thể tích trong dung môi nhị phân CF&OXY. Đường thẳng đứng liền nét biểu thị 12% phần thể tích của OXY trong hỗn hợp dung môi, đường ngang nét đứt phía trên biểu thị áp suất hơi CF trong hỗn hợp dung môi 12% -OXY cho 142,26 torr và đường ngang nét đứt phía dưới biểu thị áp suất hơi OXY trong 12% - Hỗn hợp dung môi OXY cho 0,41 torr. Khi OXY chiếm phần lớn hỗn hợp dung môi thì áp suất hơi của CF và OXY đều bằng 4,88 torr với cùng tốc độ bay hơi. f - h, Bản đồ đường viền phụ thuộc vào thời gian của phổ hấp thụ UV-vis tại chỗ cho các dung dịch tiền chất pha trộn D18: 2BTh-2F-C2 ở điều kiện CF (f), điều kiện OXY (g) và điều kiện CF&OXY (h). Các đường đứt nét và hộp nét đứt thể hiện thời gian thay đổi quang phổ của D18 và 2BTh-2F-C2 của dung dịch tiền chất pha trộn dựa trên CF-, OXY- và CF&OXY trong quá trình tạo màng. Tín dụng: Zeng và cộng sự. (Năng lượng thiên nhiên, 2024).
Là một phần trong nghiên cứu của họ, Zeng, Zhang và các cộng tác viên của họ lần đầu tiên đã thiết kế và tổng hợp một hỗn hợp hợp chất chứa CF và OXY. Sau đó, họ quan sát cách một polyme cho và NFREA phản ứng với hỗn hợp dung môi này, đặc biệt tập trung vào sự hình thành màng trên các hợp chất này.
Các nhà nghiên cứu viết: “Chúng tôi chọn các dung môi như CF và OXY bay hơi ở nhiệt độ và tốc độ khác nhau và có độ hòa tan khác nhau đối với polyme cho D18”. "Sau khi cloroform bay hơi, D18 bắt đầu tập hợp thành các sợi nhỏ. Sau đó, sự bay hơi của o-xylene gây ra sự hình thành nhanh chóng của mạng lưới sợi nhỏ phân tách pha 2BTh-2F-C2 thành các miền thuần túy và dẫn đến hình thái không liên tục."
Các nhà nghiên cứu cũng đưa một chất phụ gia ở trạng thái rắn, cụ thể là 1,4-diiodobenzen (DIB), vào mẫu của họ. Chất phụ gia này được đặt trong màng mỏng quang hoạt đã hình thành trong khi nó gần như đã khô để tăng cường hơn nữa khả năng kết tinh của NFREA.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp của họ để phát triển pin mặt trời mới dựa trên NFREA, sau đó họ đánh giá chúng trong một loạt thử nghiệm ban đầu. Đáng chú ý, họ phát hiện ra rằng hình thái được kích hoạt bởi PCE kích hoạt dung môi và chất phụ gia là 19,02% đối với các tế bào diện tích nhỏ (0,052cm2) và 17,28% đối với các thiết bị 1 cm2.
Nghiên cứu gần đây này mở ra những khả năng mới cho việc chế tạo pin mặt trời hữu cơ dựa trên NFREA, có thể rẻ hơn đáng kể so với các pin mặt trời dựa trên FREA. Những phát hiện đầy hứa hẹn mà nhóm nghiên cứu này thu thập được có thể sớm truyền cảm hứng cho những nỗ lực tiếp theo theo hướng này, có khả năng góp phần vào việc thương mại hóa pin mặt trời hữu cơ trong tương lai.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
