Уявіть собі майбутнє, де наші екрани телефонів, фасади будівель і навіть намети зможуть легко виробляти електроенергію-. Це досягнення стало можливим завдяки величезному потенціалу полімерних сонячних батарей (PSC). Порівняно з традиційними кремнієвими-сонячними панелями PSC, завдяки їхнім унікальним перевагам — легкість, гнучкість і можливість друку-для виготовлення пристроїв-великої площі, стали висхідною зіркою в новому енергетичному полі. Однак основною проблемою для досягнення комерційного застосування є підвищення ефективності фотоелектричного перетворення (PCE). За останнє десятиліття PCE зросла приблизно з 1% до понад 11%, і однією з ключових рушійних сил цього є розробка й оптимізація високо-ефективних полімерних фотоелектричних матеріалів.
1. Від політіофену до кополімерів D-A
Ранні дослідження були зосереджені на політіофенових гомополімерах, таких як P3HT, але їхній вузький спектр поглинання та високий рівень HOMO обмежували ефективність. Дослідники подолали це обмеження за допомогою молекулярного дизайну: наприклад, введення двовимірних спряжених розгалужень, таких як бістіофен-етилен, у політіофен не лише розширило спектр поглинання, але й знизило рівень ВЗМО приблизно на 0,2 еВ, значно покращивши напругу відкритого-ланцюга та струм короткого-замикання приладу, збільшивши ККД з 2,41% до 3,18%. Інша стратегія полягає у зменшенні кількості алкільних ланцюгів і введенні електроно{9}}акцепторних груп, таких як складноефірні групи, які також можуть ефективно знизити рівень енергії HOMO та значно підвищити Voc (наприклад, PDGBT досягає 0,91 В) і ефективність (7,2%).
2. Бензодітіофен (BDT)
Справжній революційний прорив стався завдяки змінній структурі сополімеру донора-акцептора (D-A). Серед них ланка бензодитіофену (БДТ) виділялася великою спряженою площиною, високою рухливістю та легкою структурною модифікацією. У 2008 році дослідник Хоу Цзяньхуей став піонером у використанні BDT у полімерному дизайні D-A в дослідницькій групі Яна. Згодом поєднання BDT і тіофен[3,4-b]тіофену (ТТ) стало золотим поєднанням для високоефективних матеріалів.
Для подальшого вивчення потенціалу полімерів,-подібних BDT, можна застосувати-двовимірні кон’юговані розгалуження та стратегії фторування:
Введення двовимірних спряжених гілок у блок BDT значно розширює π-електронну спряжену область молекули. Це не тільки покращує міжмолекулярні взаємодії та можливості транспортування заряду, але також ефективно модулює спектр поглинання та рівень молекулярної енергії. Наприклад, PBDTTT-C-T, PTB7-Th, а пізніше PBDT-TS1, які досягли прориву в ефективності понад 10%, усі отримали переваги від цієї конструкції.
Вибіркове введення атомів фтору, що сильно відлучають електрони, у бічні ланцюги або акцепторні одиниці ТТ BDT може синергетично та значно знизити рівень енергії HOMO полімеру, тим самим значно покращуючи напругу відкритого ланцюга пристрою. Від PBT-OF до PBT-3F зі збільшенням кількості атомів фтору Voc зростає з 0,56 В до 0,78 В, а ефективність стрибає з 4,5% до 8,6%.
3. Морфологічний контроль
Висока продуктивність залежить не тільки від самого матеріалу, а й від мікроструктури об’ємного гетеропереходу, утвореного сумішшю донора/акцептора в активному шарі. Морфологія має бути правильною: якщо фазова область занадто велика, екситони рекомбінуються, перш ніж вони зможуть розділитися; якщо область фази занадто мала, вільні заряди також легко рекомбінують. Дослідники дослідили два підходи до контролю полімерних сумішей:
Переробка зелених розчинників: щоб уникнути використання токсичних галогенованих розчинників, дослідники досліджували використання зелених розчинників, таких як о-ксилол і о-метиланізол (МА), у поєднанні зі спеціальними добавками (такими як NMP), успішно відтворюючи чудову морфологію, подібну до систем галогенованих розчинників, і досягаючи високої ефективності майже 10%.
Оптимізація молекулярної структури: розробляючи так, щоб полімерний каркас був більш лінійним, збільшуючи кон’юговану площу або точно регулюючи бічні алкільні ланцюги, можна активно контролювати кристалічність і молекулярну упаковку полімеру, отримуючи таким чином ідеальну морфологію суміші.
Як важливий компонент зеленої енергії, полімерні фотоелектричні матеріали ведуть тенденцію перетворення енергії завдяки своїм унікальним властивостям і перевагам. Завдяки постійному технологічному прогресу та розширенню ринку полімерні фотоелектричні матеріали продемонструють ще ширші перспективи застосування та величезний ринковий потенціал у майбутньому. Будемо з нетерпінням чекати полімерних фотоелектричних матеріалів, які принесуть людському суспільству більш чисті, ефективніші та стійкі енергетичні рішення!
