سلول خورشیدی تمام پلیمری

 سلول خورشیدی تمام پلیمری با بازدهی 14.4 درصد با جذب بالا و اتلاف انرژی کم فعال شده با گیرنده پلیمری جدید

سلول های خورشیدی تمام پلیمری (ALL-PSC) از چندین مزیت متمایز همچون پایداری حرارتی و انعطاف پذیری بالا برخوردار هستند. در اینجا، یک گیرنده پلیمری جدید PJ1 را گزارش می کنیم که نشان دهنده یک شکاف باند باریک در حدود 1.4 eV و ضریب خاموشی بالا در حدود 10×1.39 سانتیمتر مربع است. اگر PJ1 با پلیمر دهنده PBDB-T ترکیب شود، all-PSC با رکورد راندمان تبدیل توان (PCE) 14.4 درصد به دست می آید که عمدتاً به جذب بالا، تفکیک و جمع آوری شارژ، و اتلاف انرژی کم نسبت داده می شود. اثرات هم افزایی وزن مولکولی PJ1 بر عملکرد فتوولتائیک نیز بررسی شده است. مشخص شد که افزایش وزن مولکولی می تواند منجر به رد-شیفت در جذب با افزایش نسبی ضریب خاموشی شود که در نتیجه جریان نوری سودمند است. علاوه براین، همانطور که در تغییر مورفولوژی جزئی PBDB-T:PJ1 نسبت به جداسازی فاز بیش از حد فاز PBDB-T:TTPBTIC آنیل شده در دمای 150 درجه سانتیگراد مشاهده می شود، all-PSC های مبتنی بر PJ1 پایداری حرارتی بسیار بهتری از گروه کنترل مبتنی بر گیرنده مولکول کوچک (TTPBT-IC) دارند. نکته جالب این است که تمام PSC های مبتنی بر PBDB-T:PJ1 می تواند PCE های بالا را حتی زمانی که ضخامت لایه فوتواکتیو بیش از 300 نانومتر افزایش می یابد یا محدوده دستگاه به 1 سانتی متر مربع افزایش می یابد حفظ کنند.

سلول‌ های خورشیدی پلیمری (PSC) به دلیل دارا بودن خواصی همانند انعطاف پذیری، وزن سبک، و پتانسیل پردازش بالای رول به رول در سال‌ های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. اخیرا PSC های دارای پیوند ناهمگون بالک (BHJ) با ترکیب الکترون دهنده (اهداکننده) پلیمری مزدوج  و گیرنده الکترون مولکولی کوچک به عنوان لایه فعال نشان دهنده پیشرفت های قابل توجهی با ضریب تبدیل توان (PCE) بیش از 16 درصد بودند. برخلاف PSC هایی که دارای گیرنده های مولکولی کوچک هستند، تمام سلول های خورشیدی پلیمری که از پلیمرهای مزدوج به عنوان الکترون دهنده و گیرنده الکترون استفاده می کنند، چندین برتری منحصر به فرد از جمله ثبات مورفولوژیکی عالی و مکانیکی دارند. بنابراین به طور کلی اعتقاد بر این است که تمام PSC ها یکی از امیدوارکننده ترین گزینه کاربردهای تجاری هستند. با این حال، در مقایسه با PSC های حاوی گیرنده مولکولی کوچک غیر فولرین (NFSMA)، PCE تمام PSC ها به دلیل نبودن گیرنده ها با بازدهی بالا هنوز خیلی عقب هستند. تا کنون، تنها تعداد اندکی از پذیرنده های پلیمری توانسته اند بازدهی بیش از 8 درصد را در صورت ترکیب با پلیمر اهداکننده داشته باشند و بیشتر آنها بر نانوفتالین دی ایمید (NDI)، پریلن دی ایمید یا بی پیریدین B→N متکی هستند. مهم ترین آنها poly{[N,N′-bis(2-octyldodecyl)-naphthalene-1,4,5,8 bis(dicarboximide)-2,6-diyl]-alt 5,5′-(2,2′-bithiophene)} با نام تجاری N2200 است که تحرک و قرابت الکترون بالایی دارد.  با جفت شدن آن با یک پلیمر اهداکننده مبتنی بر پیرول بنزوتریازول-5،7-دیون (TzBI)، بالاترین PCE ثبت شده 11.76 درصد اخیرا گزارش شده است. با وجود موفقیت های قابل توجه، N2200 از چندین محدودیت ذاتی مانند شدت پایین جذب، بلورینگی بسیار بالا و پایین ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده (LUMO) که پیشرفت بیشتر در پارامترهای فتوولتائیک و PCE را محدود می کند رنج می برد. لی و همکارانش یک پارادایم با ترکیب NFSMA توان بالا به عنوان بلوک ساختاری برای ساخت گیرنده پلیمری جدید پیشنهاد دادند. این پلیمر حاصل شده PZ1 جذب گسترده با ضریب انقراض بالا را نشان داد و اینکه دستگاه مرتبط می تواند به راندمان بهینه 9.19 درصدی دست یابد. علاوه براین، بازدهی را می توان با کمک پلیمر اهداکننده انتخاب شده به  11.2 درصد ارتقا داد. بر اساس این استراتژی طراحی، یان و ژانگ و همکاران شان نیز به طور مستقل گیرنده های پلیمری PFBDT-IDTIC و NDI را با بازدهی بیش از 10 درصدی تمام PSC ها با PCE را معرفی کردند. این نتایج به دست آمده اثبات کرد که پلیمریزاسیون در پلیمر پذیرنده یک استراتژی امیدوارکننده برای توسعه پلیمرهای پذیرنده جدید است. با این حال، پذیرنده پلیمری با بازدهی بالا همچنان مورد نیاز است. در اینجا، ما یک پلیمر پذیرنده جدید (PJ1) را از طریق پیوند بلوک ساختاری SMA (TTPBT-IC) طراحی و سنتز می کنیم که ساختار مشابهی با گیرنده الکترون حلقه ذوب شده Y5 دارد. Y5 و آنالوگ های آن پذیرنده های نوع جدیدی هستند که ابتدا توسط زو و همکارانش توسعه یافت، می توانند به دلیل گسترش جذب مادون قرمز نزدیک و ضریب خاموشی بالا در PSC ها با بازدهی بالایی قابلیت استفاده داشته باشند. همانطور که انتظار می رفت، PJ1 تمام مزیت های SMA را حفظ کرده و جذب بالایی بین 600-900 نانومتر با ضریب خاموشی 10⁵×1.39 سانتیمتر مربع را نشان می دهد. در صورتی که پلیمر PBDB-T به عنوان دهنده الکترون انتخاب شود، تمام PSC های ساخته شده در ترکیب با PJ1 می تواند با چگالی چریان اتصال کوتاه (Jsc) 22.3 میلی آمپر، ولتاژ مدار باز (Voc) 0.90 ولت و فاکتور پر شدن (FF) 70 درصد به بازدهی 14.4 درصدی دست یابند. علاوه براین، تمام PSC های مبتنی بر PJ1 پایداری حرارتی عالی را نشان می دهند. دستگاه مربوطه می تواند PCE را تا بالاتر از 12.5 درصد (حدود 90 درصد از بازده اولیه خود) حفظ کند؛ حتی زمانی که لایه فعال در دمای 150 درجه سانتی گراد به مدت 180 دقیقه آنیل شود. جالب اینجاست که عملکرد تمام PSC های مشتق شده از PBDB-T:PJ1 نشان دهنده وابستگی پایین به ضخامت لایه فعال است. بنابراین، PCE های بالای 12.1 و 13.0 درصد زمانی که ضخامت لایه فتواکتیو به بیش از 300 نانومتر افزایش یابد یا مساحت دیوایس تا 1 سانتی متر مربع بیشتر شود، قابل دستیابی هستند. با توجه به این مشاهدات، PJ1 جایگزین امیدوارکننده ای برای PSC های بسیار کارآمد و پایدار است.

نتیجه گیری

به طور خلاصه، ما در اینجا یک گیرنده پلیمری جدید را گزارش کردیم که شکاف باند باریکی را همراه با ضریب خاموشی بالا نشان می دهد. PSC ها با بازدهی بالا و رکورد 14.4 درصد درصورتی قابل دستیابی هستند که PJ1 با پلیمر اهداکننده PBDB-T مطابقت داده باشد. اثرات سینرژیک منگنز (Mn) بر عملکرد فتوولتائیک نیز مورد بررسی قرار گرفت. به این نتیجه رسیدیم که افزایش منگنز منجر به جذب رد-شیفت و ضریب انقراض نسبتا افزایش یافته می شود که در نهایت، برای جریان نوری مفید است. علاوه براین،پایداری حرارتی PSC های PBDB-T:PJ1 و PBDB-T:TTPBTIC نیز مورد بررسی قرار گرفتند. PSC های مشتق شده از PJ1-H مورفولوژی پایداری را نشان می دهند که نسبت PCE بالا را پس از بازپخت لایه فعال در دمای 150 درجه سانتی گراد به مدت 180 دقیقه تضمین می کند. در شرایط یکسان، بازدهی TTPBT-IC مبتنی بر PSC عمدتا به دلیل جداسازی بیش از حد فاز پس از بازپخت، شدیدا از 13.7 درصد به 9.8 درصد کاهش یافت. علاوه براین، PSC های متکی بر PBDB-T:PJ1-H در شرایطی می تواند افزایش PCE را حفظ کنند که ضخامت لایه فتواکتیو تا 305 نانومتر افزایش یابد و یا مساحت دیوایس به 1 سانتی متر مربع برسد. این یافته ها نشان می دهد که PJ1 به عنوان پلیمر پذیرنده گزینه مناسب و امیدوارکننده ای برای کاربردهای عملی تمام PSC ها محسوب می شود.