Pintura solar: 8 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Una pintura particular que produce electricidad directa de la luz solar.

La energía fotovoltaica orgánica (OPV) ofrece un enorme potencial como recubrimientos económicos capaces de generar electricidad directamente a partir de la luz solar. Estos materiales de mezcla de polímeros se pueden imprimir a altas velocidades en grandes áreas utilizando técnicas de procesamiento de rollo a rollo, creando la tentadora visión de recubrir cada techo y otra superficie de construcción adecuada con energía fotovoltaica de bajo costo.

Paso 1: Síntesis de NP mediante el proceso de miniemulsión

El método de fabricación de nanopartículas utiliza energía de ultrasonido suministrada a través de un cuerno de ultrasonido insertado en la mezcla de reacción para generar una miniemulsión (Figura anterior). El cuerno de ultrasonidos hace posible la formación de gotitas submicrométricas aplicando una alta fuerza de corte. Una fase líquida que contiene tensioactivo acuoso (polar) se combina con una fase orgánica de polímero disuelto en cloroformo (no polar) para generar una macroemulsión, luego se somete a ultrasonidos para formar una miniemulsión. Las gotitas de cloroformo de polímero constituyen la fase dispersa con una fase acuosa continua. Esta es una modificación del método habitual para generar nanopartículas poliméricas donde la fase dispersa era monómero líquido.

Inmediatamente después de la miniemulsificación, el disolvente se elimina de las gotitas dispersas por evaporación, dejando nanopartículas de polímero. El tamaño final de las nanopartículas se puede variar cambiando la concentración inicial de tensioactivo en la fase acuosa.

Paso 2: Síntesis de NP mediante métodos de precipitación

Como alternativa al enfoque de miniemulsión, las técnicas de precipitación ofrecen una ruta sencilla para la producción de nanopartículas de polímero semiconductor mediante la inyección de una solución de material activo en un segundo disolvente de escasa solubilidad.

Como tal, la síntesis es rápida, no utiliza tensioactivo, no requiere calentamiento (y por lo tanto, no recocido de prefabricación de las nanopartículas) en la fase de síntesis de nanopartículas y se puede escalar fácilmente para la síntesis de material a gran escala. En general, se ha demostrado que las dispersiones tienen menor estabilidad y exhiben un cambio de composición en reposo debido a la precipitación preferencial de partículas de diferente composición. Sin embargo, el enfoque de precipitación ofrece la oportunidad de incluir la síntesis de nanopartículas como parte de un proceso de impresión activo, generando partículas cuando se requiera. Además, Hirsch et al. han demostrado que mediante el desplazamiento sucesivo del disolvente, es posible sintetizar partículas núcleo-capa invertidas donde la disposición estructural es contraria a las energías superficiales inherentes de los materiales.

Paso 3: Sistema de material fotovoltaico orgánico nanoparticulado (NPOPV) PFB: F8BT

Las primeras mediciones de la eficiencia de conversión de energía de PFB: Los dispositivos de nanopartículas F8BT bajo iluminación solar informaron dispositivos con un Jsc = 1 × 10 −5 A cm ^ −2 y Voc = 1.38 V, que (asumiendo una mejor estimación del factor de llenado no recocido (FF) de 0,28 de los dispositivos de mezcla a granel) corresponde a un PCE de 0,004%.

Las únicas otras mediciones fotovoltaicas de los dispositivos de nanopartículas PFB: F8BT fueron los gráficos de eficiencia cuántica externa (EQE). Dispositivos fotovoltaicos multicapa fabricados a partir de nanopartículas PFB: F8BT, que demostraron las mayores eficiencias de conversión de energía observadas para estos materiales de nanopartículas de polifluoreno.

Este mayor rendimiento se logró mediante el control de las energías superficiales de los componentes individuales en la nanopartícula de polímero y el procesamiento posterior a la deposición de las capas de nanopartículas de polímero. Significativamente, este trabajo mostró que los dispositivos fotovoltaicos orgánicos nanoparticulados fabricados (NPOPV) eran más eficientes que los dispositivos de mezcla estándar (Figura más adelante).

Paso 4: figura

Comparación de las características eléctricas de nanopartículas y dispositivos de heterounión a granel. (a) Variación de la densidad de corriente frente al voltaje para un PFB de cinco capas: F8BT (poli (9, 9-dioctilfluoreno-co-N, N'-bis (4-butilfenil) -N, N'-difenil-1, 4-fenilendiamina) (PFB); poli (9,9-dioctilfluoreno-co-benzotiadiazol (F8BT)) nanoparticulado (círculos llenos) y un dispositivo de heterounión masiva (círculos abiertos); (b) Variación de la eficiencia cuántica externa (EQE) vs. Longitud de onda para un dispositivo PFB de cinco capas: nanopartículas F8BT (círculos rellenos) y un dispositivo de heterounión masiva (círculos abiertos) También se muestra (línea discontinua) el gráfico EQE para el dispositivo de película nanoparticulada.

El efecto de los cátodos de Ca y Al (dos de los materiales de electrodos más comunes) en dispositivos OPV basados en dispersiones de nanopartículas de polímero (NP) acuosas de mezcla de polifluoreno. Demostraron que los dispositivos PFB: F8BT NPOPV con cátodos de Al y Ca / Al exhiben un comportamiento cualitativamente muy similar, con un PCE pico de ~ 0.4% para Al y ~ 0.8% para Ca / Al, y que hay un espesor optimizado distinto para el Dispositivos NP (figura siguiente). El espesor óptimo es una consecuencia de los efectos físicos en competencia de la reparación y relleno de defectos para películas delgadas [32, 33] y el desarrollo de agrietamiento por tensión en películas gruesas.

El espesor de capa óptimo en estos dispositivos corresponde al espesor crítico de agrietamiento (CCT) por encima del cual se produce el agrietamiento por tensión, lo que da como resultado una baja resistencia a la derivación y una reducción en el rendimiento del dispositivo.

Paso 5: Figura

Variación de la eficiencia de conversión de energía (PCE) con el número de capas depositadas para PFB: dispositivos fotovoltaicos orgánicos nanoparticulados F8BT (NPOPV) fabricados con un cátodo de Al (círculos rellenos) y un cátodo de Ca / Al (círculos abiertos). Se han agregado líneas punteadas y discontinuas para guiar el ojo. Se ha determinado un error medio en función de la varianza de un mínimo de diez dispositivos por cada número de capas.

Entonces, los dispositivos F8BT mejoran la disociación del excitón en relación con la estructura BHJ correspondiente. Además, el uso de un cátodo de Ca / Al da como resultado la creación de estados de brecha interfacial (Figura posterior), que reducen la recombinación de cargas generadas por el PFB en estos dispositivos y restauran el voltaje de circuito abierto al nivel obtenido para un dispositivo BHJ optimizado., resultando en un PCE cercano al 1%.

Paso 6: Figura

Diagramas de niveles de energía para nanopartículas de PFB: F8BT en presencia de calcio. (a) El calcio se difunde a través de la superficie de la nanopartícula; (b) El calcio dopa la cáscara rica en PFB, produciendo estados de brecha. La transferencia de electrones se produce a partir de estados de huecos llenos que producen calcio; (c) Un excitón generado en PFB se acerca al material PFB dopado (PFB *), y un agujero se transfiere al estado de espacio lleno, produciendo un electrón más energético; (d) Se obstaculiza la transferencia de electrones desde un excitón generado en F8BT al orbital molecular desocupado más bajo PFB de mayor energía (LUMO) o al PFB * LUMO de menor energía lleno.

Dispositivos NP-OPV fabricados a partir de nanopartículas de P3HT: PCBM dispersas en agua que presentaban eficiencias de conversión de energía (PCE) del 1,30% y eficiencias cuánticas externas máximas (EQE) del 35%. Sin embargo, a diferencia del sistema NPOPV PFB: F8BT, los dispositivos NPOPV P3HT: PCBM eran menos eficientes que sus homólogos de heterounión masiva. La microscopía de rayos X de transmisión de barrido (STXM) reveló que la capa activa conserva una morfología NP altamente estructurada y comprende NP de núcleo-capa que consisten en un núcleo de PCBM relativamente puro y una capa mezclada de P3HT: PCBM (figura siguiente). Sin embargo, tras el recocido, estos dispositivos NPOPV experimentan una amplia segregación de fase y una disminución correspondiente en el rendimiento del dispositivo. De hecho, este trabajo proporcionó una explicación de la menor eficiencia de los dispositivos P3HT: PCBM OPV recocidos, ya que el procesamiento térmico de la película NP da como resultado una estructura efectivamente "sobrecocida" con una gran segregación de fase, lo que interrumpe la generación y el transporte de carga.

Paso 7: Resumen del desempeño de NPOPV

Un resumen del rendimiento de los dispositivos NPOPV informado durante los últimos años se presenta en

Mesa. De la tabla se desprende claramente que el rendimiento de los dispositivos NPOPV ha aumentado drásticamente, con un aumento de tres órdenes de magnitud.

Paso 8: Conclusiones y perspectivas futuras

El reciente desarrollo de recubrimientos NPOPV a base de agua representa un cambio de paradigma en el desarrollo de dispositivos OPV de bajo costo. Este enfoque proporciona simultáneamente control de la morfología y elimina la necesidad de disolventes inflamables volátiles en la producción de dispositivos; dos desafíos clave de la investigación actual de dispositivos OPV. De hecho, el desarrollo de una pintura solar a base de agua ofrece la tentadora perspectiva de imprimir dispositivos OPV de gran superficie utilizando cualquier instalación de impresión existente. Además, se reconoce cada vez más que el desarrollo de un sistema OPV imprimible a base de agua sería muy ventajoso y que los sistemas de materiales actuales basados en disolventes clorados no son adecuados para la producción a escala comercial. El trabajo descrito en esta revisión muestra que la nueva metodología NPOPV es generalmente aplicable y que los PCE de los dispositivos NPOPV pueden ser competitivos con los dispositivos construidos a partir de solventes orgánicos. Sin embargo, estos estudios también revelan que, desde el punto de vista de los materiales, los NP se comportan de manera completamente diferente a las mezclas de polímeros hiladas a partir de disolventes orgánicos. Efectivamente, los NP son un sistema de material completamente nuevo y, como tal, las viejas reglas para la fabricación de dispositivos OPV que se han aprendido para dispositivos OPV de base orgánica ya no se aplican. En el caso de NPOPVs basados en mezclas de polifluoreno, la morfología NP da como resultado una duplicación de la eficiencia del dispositivo. Sin embargo, para las mezclas de polímero: fullereno (p. Ej., P3HT: PCBM y P3HT: ICBA), la formación de morfología en las películas de NP es muy compleja y otros factores (como la difusión del núcleo) pueden dominar, lo que da como resultado estructuras y eficiencias del dispositivo no optimizadas. Las perspectivas futuras para estos materiales son extremadamente prometedoras, ya que las eficiencias de los dispositivos han aumentado del 0,004% al 4% en menos de cinco años. La siguiente etapa de desarrollo implicará comprender los mecanismos que determinan la estructura NP y la morfología de la película NP y cómo se pueden controlar y optimizar. Hasta la fecha, la capacidad de controlar la morfología de las capas activas de OPV en la nanoescala aún no se ha realizado. Sin embargo, trabajos recientes demuestran que la aplicación de materiales NP puede permitir alcanzar este objetivo.