Telefon ekranlarımızın, bina cephelerimizin ve hatta çadırlarımızın kolaylıkla elektrik üretebildiği bir gelecek hayal edin. Bu, polimer güneş pillerinin (PSC'ler) muazzam potansiyeli sayesinde mümkün olan bir başarıdır. Geleneksel silikon-tabanlı güneş panelleriyle karşılaştırıldığında PSC'ler, hafiflik, esneklik ve geniş alanlı cihaz imalatı için-çözümsel olarak yazdırılabilirlik-gibi benzersiz avantajlarıyla, yeni enerji alanında yükselen bir yıldız haline geldi. Bununla birlikte, ticari uygulamaya ulaşmanın önündeki temel darboğaz, fotoelektrik dönüşüm verimliliğinin (PCE) arttırılmasında yatmaktadır. Geçtiğimiz on yılda PCE'nin oranı %1'den %11'in üzerine çıktı ve bunun arkasındaki temel itici güçlerden biri, yüksek-performanslı polimer fotovoltaik malzemelerin tasarımı ve optimizasyonudur.
1. Politiyofenden D-A Kopolimerlerine
İlk araştırmalar P3HT gibi politiyofen homopolimerlerine odaklandı, ancak bunların dar absorpsiyon spektrumu ve yüksek HOMO seviyesi sınırlı verimliliğine sahipti. Araştırmacılar bu sınırlamayı moleküler tasarım yoluyla aştılar: örneğin, politiyofen üzerine bistiofen etilen gibi iki-boyutlu konjuge dalların eklenmesi, yalnızca absorpsiyon spektrumunu genişletmekle kalmadı, aynı zamanda HOMO seviyesini yaklaşık 0,2 eV düşürerek cihazın açık-devre voltajını ve kısa-devre akımını önemli ölçüde iyileştirerek verimliliği %2,41'den %3,18'e çıkardı. Diğer bir strateji ise alkil zincirlerinin sayısını azaltmak ve ester grupları gibi elektron-çekici grupları eklemektir; bunlar aynı zamanda HOMO enerji seviyesini etkili bir şekilde düşürebilir ve Voc'yi (örneğin, PDGBT 0,91 V'a ulaşır) ve verimliliği (%7,2) önemli ölçüde artırabilir.
2. Benzoditiyofen (BDT)
Gerçek anlamda devrim niteliğindeki atılım, verici-alıcı (D-A) alternatif kopolimer yapısından geldi. Bunlar arasında benzoditiyofen (BDT) ünitesi, büyük konjuge düzlemi, yüksek hareket kabiliyeti ve kolay yapısal modifikasyonu nedeniyle öne çıktı. 2008 yılında Araştırmacı Hou Jianhui, Yang'ın araştırma grubunda D-A polimer tasarımında BDT kullanımına öncülük etti. Daha sonra BDT ve tiyofen[3,4-b]tiyofen (TT) kombinasyonu, yüksek performanslı malzemeler için altın bir eşleşme haline geldi.
BDT-benzeri polimerlerin potansiyelini daha fazla araştırmak için iki-boyutlu konjuge dallar ve florlama stratejileri benimsenebilir:
BDT birimine iki-boyutlu eşlenik dalların eklenmesi, molekülün π-elektron eşlenikli alanını büyük ölçüde genişletir. Bu sadece moleküller arası etkileşimleri ve yük taşıma yeteneklerini arttırmakla kalmaz, aynı zamanda absorpsiyon spektrumunu ve moleküler enerji seviyesini de etkili bir şekilde modüle eder. Örneğin, %10'un üzerinde verimlilik artışı elde eden PBDTT-C-T, PTB7-Th ve sonraki PBDT-TS1'in tümü bu tasarımdan yararlandı.
BDT'nin yan zincirlerine veya TT alıcı birimlerine güçlü elektron-çekerek flor atomlarını seçici olarak dahil etmek, polimerin HOMO enerji seviyesini sinerjistik ve önemli ölçüde azaltabilir, böylece cihazın açık-devre voltajını büyük ölçüde iyileştirebilir. PBT-OF'den PBT-3F'ye, flor atomlarının sayısı arttıkça Voc 0,56 V'tan 0,78 V'a yükselir ve verimlilik %4,5'ten %8,6'ya sıçrar.
3. Morfoloji Kontrolü
Yüksek performans yalnızca malzemenin kendisine değil aynı zamanda aktif katmandaki donör/alıcı karışımı tarafından oluşturulan toplu heteroeklemlerin mikro yapısına da bağlıdır. Morfolojinin tam olarak doğru olması gerekir: Faz bölgesi çok büyükse, eksitonlar ayrılmadan önce yeniden birleşecektir; Faz bölgesi çok küçükse serbest yükler de kolayca yeniden birleşecektir. Araştırmacılar polimer karışımlarını kontrol etmek için iki yaklaşım araştırdılar:
Yeşil solvent işleme: Toksik halojenli solventlerden kaçınmak için araştırmacılar, halojenli solvent sistemlerine benzer mükemmel morfolojiyi başarılı bir şekilde kopyalayan ve yaklaşık %10'luk yüksek bir verime ulaşan, belirli katkı maddeleri (NMP gibi) ile birleştirilmiş o-ksilen ve o-metil anisol (MA) gibi yeşil solventlerin kullanımını araştırdı.
Moleküler yapı optimizasyonu: Polimer omurgasını daha doğrusal hale getirecek şekilde tasarlayarak, konjuge alanı artırarak veya alkil yan zincirlerini hassas bir şekilde ayarlayarak, polimerin kristalliği ve moleküler paketlenmesi aktif olarak kontrol edilebilir, böylece ideal karışım morfolojileri elde edilebilir.
Yeşil enerjinin önemli bir bileşeni olan polimer fotovoltaik malzemeler, benzersiz özellikleri ve avantajlarıyla enerji dönüşümü trendine öncülük ediyor. Sürekli teknolojik gelişmeler ve pazarın genişlemesiyle birlikte, polimer fotovoltaik malzemeler gelecekte daha geniş uygulama beklentileri ve muazzam pazar potansiyeli gösterecektir. İnsan toplumuna daha temiz, daha verimli ve sürdürülebilir enerji çözümleri getiren polimer fotovoltaik malzemeleri sabırsızlıkla bekliyoruz!
