Zamislite budućnost u kojoj naši ekrani telefona, fasade zgrada, pa čak i šatori mogu lako proizvesti električnu energiju-što je podvig omogućen ogromnim potencijalom polimernih solarnih ćelija (PSC). U poređenju sa tradicionalnim solarnim panelima{2}}baziranim na silikonu, PSC-ovi, sa svojim jedinstvenim prednostima što su lagani, fleksibilni i rješenje-koji se mogu štampati za proizvodnju uređaja velikih{4}}oblasti, postali su zvijezda u usponu u novom energetskom polju. Međutim, osnovno usko grlo za postizanje komercijalne primjene leži u poboljšanju efikasnosti fotoelektrične konverzije (PCE). Tokom protekle decenije, PCE je porastao sa oko 1% na preko 11%, a jedna od ključnih pokretačkih snaga iza ovoga je dizajn i optimizacija polimernih fotonaponskih materijala visokih{9}}performansi.
1. Od politiofena do D-A kopolimera
Rana istraživanja su se fokusirala na politiofene homopolimere kao što je P3HT, ali njihov uski apsorpcioni spektar i visok nivo HOMO ograničavaju efikasnost. Istraživači su probili ovo ograničenje kroz molekularni dizajn: na primjer, uvođenjem dvije-dimenzionalne konjugirane grane kao što je bistiofen etilen na politiofen ne samo da je proširio apsorpcioni spektar, već je i snizio nivo HOMO za približno 0,2 eV, značajno poboljšavši napon otvaranja{54} uređaja, povećavajući efikasnost sa 2,41% na 3,18%. Druga strategija je smanjenje broja alkilnih lanaca i uvođenje grupa koje povlače elektron- kao što su estarske grupe, koje također mogu efikasno sniziti nivo energije HOMO i značajno poboljšati Voc (npr. PDGBT dostiže 0,91 V) i efikasnost (7,2%).
2. benzoditiofen (BDT)
Zaista revolucionarno otkriće došlo je od strukture naizmjeničnog kopolimera donora-akceptora (D-A). Među njima, benzoditiofen (BDT) jedinica se isticala zbog svoje velike konjugirane ravni, velike pokretljivosti i jednostavne strukturne modifikacije. Godine 2008. istraživač Hou Jianhui bio je pionir upotrebe BDT-a u dizajnu polimera D-A u Yangovoj istraživačkoj grupi. Nakon toga, kombinacija BDT-a i tiofena[3,4-b]tiofena (TT) postala je zlatni par za materijale visokih performansi.
Za dalje istraživanje potencijala BDT-polimera, mogu se usvojiti dvodimenzionalne konjugirane grane i strategije fluoriranja:
Uvođenjem dvije-dimenzionalne konjugirane grane u BDT jedinicu uvelike se proširuje π-konjugirana površina molekula. Ovo ne samo da poboljšava međumolekularne interakcije i sposobnost transporta naboja, već i efikasno modulira spektar apsorpcije i nivo molekularne energije. Na primjer, PBDTTT-C-T, PTB7-Th, i kasnije PBDT-TS1, koji su postigli napredak u efikasnosti od preko 10%, svi su imali koristi od ovog dizajna.
Selektivno uvođenje snažnog-povlačenja elektrona atoma fluora u bočne lance ili TT akceptorske jedinice BDT-a može sinergistički i značajno smanjiti nivo energije HOMO polimera, čime se značajno poboljšava-napon otvorenog kola uređaja. Od PBT-OF do PBT-3F, kako se broj atoma fluora povećava, Voc raste sa 0,56 V na 0,78 V, a efikasnost skače sa 4,5% na 8,6%.
3. Morfološka kontrola
Visoke performanse ne zavise samo od samog materijala, već i od mikrostrukture masivnog heterospoja formiranog mešavinom donor/akceptor u aktivnom sloju. Morfologija treba da bude tačna: ako je fazno područje preveliko, eksitoni će se rekombinovati pre nego što se razdvoje; ako je fazno područje premalo, besplatni naboji će se također lako rekombinovati. Istraživači su istražili dva pristupa za kontrolu mješavina polimera:
Obrada zelenim rastvaračima: Da bi se izbjegla toksična halogenirana rastvarača, istraživači su istraživali upotrebu zelenih rastvarača kao što su o-ksilen i o-metil anizol (MA), u kombinaciji sa specifičnim aditivima (kao što je NMP), uspješno replicirajući odličnu morfologiju sličnu onoj kod halogeniranih sistema rastvarača i postižući skoro 10%.
Optimizacija molekularne strukture: Dizajniranjem da se polimerna kičma učini linearnijom, povećanjem konjugovane površine ili finim podešavanjem alkil bočnih lanaca, kristalnost i molekularno pakovanje polimera mogu se aktivno kontrolisati, čime se dobijaju idealne morfologije mešavine.
Kao važna komponenta zelene energije, polimerni fotonaponski materijali prednjače u trendu transformacije energije sa svojim jedinstvenim svojstvima i prednostima. Uz kontinuirano tehnološko napredovanje i širenje tržišta, polimerni fotonaponski materijali će pokazati još šire izglede za primjenu i ogroman tržišni potencijal u budućnosti. Radujmo se polimernim fotonaponskim materijalima koji ljudskom društvu donose čistija, efikasnija i održiva energetska rješenja!
