ترکیب سه تایی آنالوگ های پلیمری

بهبود عملکرد فتوولتائیک با ترکیب سه تایی آنالوگ های پلیمری آمورف و نیمه کریستالی با PCBM

ترکیب سه تایی کوپلیمرهای آمورف و نیمه کریستالی پلی پی فنیلن اتینیلن آلت پلی پی فنیلن وینیلن اس (PPE-PPV) حاوی آنتراسن (AnE-PVs) با PCBM در پیل های خورشیدی با توده اتصالات ناهمگن مورد بررسی قرار گرفت. به طور کلی، با افزایش مقدار AnE-PVba آمورف در رابطه با همتای نیمه کریستالی آن AnE-PVab، تاثیر بالایی بر تمام پارامترهای فتوولتائیک مشاهده شد. جالب اینکه افزودن مقدار کمی از کوپلیمر آمورف برای عملکرد کلی پیل خورشیدی مفید بود. افزایش عملکرد مشاهده شده ترکیب سه تایی می تواند به بهبود ولتاژ مدار باز مربوط باشد؛ علیرغم این واقعیت که ترکیب باینری کوپلیمر آمورف و اسید متیل استر بوتیریک (PCBM) فتوولتاژ بزرگتری نسبت به ترکیب باینری کوپلیمر نیمه کریستالی را نشان نمی دهد. نتایج حاصل از این مطالعه نشان می دهد که کسر آمورف خاصی از دهندۀ پلیمر ممکن است برای به دست آوردن مورفولوژی های بهینه توده اتصالات پیوند ناهمگن مورد نیاز باشد که حداکثر عملکرد فتوولتاتیک را به همراه دارد.

فتوولتائیک های آلی مبتنی بر پلیمر مزدوج (P-OPV) از لحاظ تحقیقاتی و تجاری بسیار مورد توجه قرار گرفته اند چون که جایگزینی انعطاف پذیر و نیمه شفاف برای برداشتن تابش خورشیدی کم محسوب می شود که علاوه بر کم هزینه بودن، بازیابی انرژی را در زمان کوتاهی انجام می دهد. توسعه بسیار موفقیت آمیز OPV در دهه گذشته بر مفهوم پیوند ناهمگن توده ای دهنده/گیرنده باینری متکی بود که در آن دهنده الکترون (معمولا پلیمرهای مزدوج) و گیرنده الکترون (معمولا مشتقات فولرن) دقیقا در مقیاس نانومتری با هم ترکیب می شوند. علاوه براین، تلاش های مستمر در تحقیقات مواد که منجر به توسعه پلیمرهای اهدا کنندۀ بهبود یافته و همچنین گیرنده های مشتقات فولرن مناسب تر شد، افزایش مداوم عملکرد پیل های خورشیدی با پیوند ناهمگن توده ای دهنده / گیرنده باینری را به دنبال داشت به بازده تبدیل توان (PCE) 10 درصدی تا به امروز نزدیک شد. مورفولوژی ناهمگن توده ای بر مبنای مواد اولیه گیرنده مشتقات فولرن و دهنده پلیمر با خود سازماندهی توسعه یافته و تحت تاثیر پارامترهای زیادی قرار می گیرد که به راحتی و به ندرت به طور جداگانه کنترل می شوند. تاثیر نانومورفولوژی پیوند ناهمگن توده ای بر عملکرد دستگاه قبلا در برخی از مطالعات اولیه گزارش شده است. در مورد مشتقات PPV آمورف، انتخاب حلال که از آن لایه فعال اسپین کست می شود، تا حد زیادی PCE حاصل را تعیین می کند. در مورد پلی هگزیل تیوفن نیمه کریستالی (P3HT)، تیمارهای پس از تولید مانند بازپخت حرارتی یا خشک کردن تدریجی عملکرد پیل خورشیدی را با ترتیب ساختاری افزایش یافته یعنی تبلور P3HT بهبود بخشید. چندین رویکرد با هدف کنترل تجمع P3HT در محلول ها قبلا دنبال شده اند تا کنترل مورفولوژی بهبود یافته ای بر ناهمگنی توده ای در حال تکامل داشته باشند. برای مثال، تشکیل الیاف P3HT نیمه کریستالی با افزودن غیر حلال ها به محلول P3HT به دست آمد که منجر به تشکیل کنترل شدۀ پلیمر شد. جالب اینکه بهترین عملکرد دستگاه با پیوند ناهمگن توده ای حاوی الیاف نیمه کریستالی P3HT بعنوان "دهنده" به دست نیامده است، بلکه با ترکیبی از الیاف و مقدار کمتری از P3HT تهیه شده است. این رفتار اخیرا در ترکیبات سه تایی P3HT محلی-تصادفی و محلی-منظم در پیوند با فنیل-c61-اسید متیل استر بوتیریک (PCBM) بیشتر مورد بررسی قرار گرفته است. این ترکیب سه تایی در مقایسه با دستگاه های مبتنی بر ترکیبات باینری، اثربخشی مثبتی دارند. با توجه به اختلاط بهتر P3HT محلی-تصادفی با PCBM، پایداری مورفولوژیکی طولانی مدت لایه فعال بهبود یافت. با این حال، هیچ بهبود مطلقی در عملکرد دستگاه پیل خورشیدی یافت نشد.

از طرف دیگر، ترکیبات سه تایی P3HT، PCBM و ICBA (indence-C60 bisadduct) به ولتاژ مدار باز پیل های خورشیدی اجازه می دهد تا به صورت خطی بین مقادیر به دست آمده برای ترکیب های باینری P3HT:PCBM و P3HT:ICBA تنظیم شود. از این رو، به نظر می رسد ترکیب سه تایی یک رویکرد امیدوارکننده است که خواص پیوند ناهمگن توده ای را افزایش می دهد و در غیر این صورت، نمی توان با استفاده از دو جزء به این نتیجه رسید. برای استفاده از ترکیب های سه تایی اساسا به دلیل گسترش بالقوه حساسیت طیفی پیل های خورشیدی پلیمری، به نمونه های بیشتری نیاز بود. به نظر می رسد سازگاری نسبتا زیادی بین تمام اجزای ترکیب سه تایی پیش نیاز با هدف بهبود دستگاه ها وجود دارد. در یک مطالعه کاملا سیستماتیک به بررسی امتزاج پذیری P3HT و PCPDTBT با PCBM و عملکرد پیل خورشیدی پرداخته شده است که در نتیجه، به هیچ بهبودی در پیوندهای ناهمگن توده ای باینری دست نیافت. با این حال، ارزیابی نمودار فاز سه تایی بیان کننده نسبت اختلاط بهینه در هر یک از اجزاء ترکیب سه تایی است. اخیرا بهبود قابل ملاحظه ای در ترکیب سه تایی P3HT₇₅-co-EHT₂₅، P3HT-DPP-10% و PCBM نسبت به ترکیب های باینری، مشاهده شد. ترکیب سه تایی با افزودن جزئی P3HT₇₅-co-EHT₂₅ افزایش عملکرد نسبی را به دلیل جذب مکمل هر دو پلیمر از خود نشان داد. در اینجا، ما در مورد استفاده از دو کوپلیمری بحث می کنیم که به دلیل داشتن ستون فقرات یکسان، اساسا پلیمر محسوب می شوند؛ به استثنای برخی تغییرات در جایگزینی زنجیره جانبی آنها که منجر به خواص نیمه کریستالی یا آمورف می شود. در مقابل P3HT، افزایش نظم ساختاری در ورژن نیمه کریستالی کوپلیمر پس از اختلاط PCBM گیرنده مشتق فولرن یافت می شود. با توجه به شباهت ها در ساختار شیمیایی، این سیستم به منظور بررسی اثرات مرتبط با کنترل نظم در اتصالات ناهمگن توده ای سه تایی مناسب است. به طور کلی پیشنهاد می شود که فازهای بکر و نسبتا منظم پلیمرهای دهنده و مشتقات فولرن گیرنده خواص انتقال بار برتر را در پیوندهای ناهمگن توده ای با میزان نفوذ و دامنه کافی ارائه می دهند. اخیرا ادعا شده است که یک فاز ترکیبی دهنده-گیرنده آمورف و نامنظم ممکن است بازده تولید بار برتر را به دلیل افزایش نسبی در نیروی محرکه به منظور تفکیک اکسایتون فراهم کند. اگر بتوان فازهای تفکیک نامنظم اکسایتون و مرتب شده را با هم ترکیب کرد، یک مزیت عمده از مورفولوژی ناهمگن توده ای از نوترکیبی بار با مانع انرژی حاصل می شود.

نتیجه گیری

در این مقاله، بهبود مطلق در عملکرد فتوولتائیک پیل های خورشیدی دارای پیوند ناهمگن توده ای را براساس ترکیب سه تایی کوپلیمرهای PPE-PPV نیمه کریستالی و آمورف که فقط دارای زنجیره های جانبی مختلفی با PCBM هستند بیان می کنیم. ترکیب AnE-PVab منظم و مقدار کمی از AnE-PVba آمورف منجر به مورفولوژی ناهمگن توده ای مفیدی می شود که حاوی یک حفره منظم، فاز رسانای الکترون و همچنین یک فاز AnEPV:PCBM کاملا مخلوط و آمورف است. به طور کلی، یک وابستگی قوی از پارامترهای فتوولتائیک به نسبت پلیمرهای منظم و آمورف مشاهده شد. ما در نهایت بخش کوچک پلیمری آمورف را به AnEPV:PCBM اختصاص می دهیم که در آن ترکیب آمورف مخلوط به احتمال زیاد در بین فازهای AnE-PV و PCBM منظم بکر قرار دارد. در پایان این بررسی باید گفت که به بررسی های ساختاری، الکتریکی و نوری بیشتری برای درک عمیق تر تاثیر نانومورفولوژی بر تولید حامل بار، نوترکیب و انتقال در چنین سیستم های سه تایی پلیمر/پلیمر/فولرن نیاز است و در آینده نزدیک مورد بررسی قرار خواهد گرفت.