Peinture solaire : 8 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Une peinture particulière qui produit de l'électricité directe à partir de la lumière du soleil.

Le photovoltaïque organique (OPV) offre un potentiel énorme en tant que revêtements peu coûteux capables de générer de l'électricité directement à partir de la lumière du soleil. Ces matériaux de mélange de polymères peuvent être imprimés à grande vitesse sur de grandes surfaces à l'aide de techniques de traitement rouleau à rouleau, créant la vision alléchante de revêtir chaque toit et autre surface de bâtiment appropriée avec des panneaux photovoltaïques à faible coût.

Étape 1: Synthèse des NPs via le processus de miniémulsion

La méthode de fabrication de nanoparticules utilise l'énergie ultrasonore délivrée via une corne à ultrasons insérée dans le mélange réactionnel pour générer une miniémulsion (Figure ci-dessus). La corne à ultrasons permet la formation de gouttelettes submicrométriques en appliquant une force de cisaillement élevée. Une phase aqueuse liquide contenant un tensioactif (polaire) est combinée à une phase organique de polymère dissous dans du chloroforme (non polaire) pour générer une macroémulsion, puis soumise à un traitement aux ultrasons pour former une miniémulsion. Les gouttelettes de chloroforme de polymère constituent la phase dispersée avec une phase continue aqueuse. Il s'agit d'une modification de la méthode habituelle de génération de nanoparticules de polymère où la phase dispersée était un monomère liquide.

Immédiatement après la mini-émulsification, le solvant est éliminé des gouttelettes dispersées par évaporation, laissant des nanoparticules de polymère. La taille finale des nanoparticules peut être modifiée en changeant la concentration initiale de tensioactif dans la phase aqueuse.

Étape 2: Synthèse des NPs via des méthodes de précipitation

Alternativement à l'approche miniémulsion, les techniques de précipitation offrent une voie simple vers la production de nanoparticules de polymère semi-conducteur via l'injection d'une solution de matière active dans un second solvant de faible solubilité.

En tant que telle, la synthèse est rapide, n'utilise pas de tensioactif, ne nécessite aucun chauffage (et par conséquent, aucun recuit de préfabrication des nanoparticules) dans la phase de synthèse des nanoparticules et peut facilement être mise à l'échelle pour la synthèse à grande échelle du matériau. En général, il a été montré que les dispersions ont une stabilité plus faible et présentent un changement de composition au repos en raison de la précipitation préférentielle de particules de composition différente. Cependant, l'approche par précipitation offre la possibilité d'inclure la synthèse de nanoparticules dans le cadre d'un processus d'impression actif, les particules étant générées au fur et à mesure des besoins. De plus, Hirsch et al. ont montré que par déplacement successif de solvant, il est possible de synthétiser des particules cœur-écorce inversées où l'arrangement structurel est contraire aux énergies de surface inhérentes aux matériaux.

Étape 3: Le système de matériaux photovoltaïques organiques nanoparticulaires PFB:F8BT (NPOPV)

Les premières mesures de l'efficacité de conversion de puissance des dispositifs à nanoparticules PFB:F8BT sous éclairage solaire ont signalé des dispositifs avec un Jsc = 1 × 10 −5 A cm^−2 et Voc = 1,38 V, ce qui (en supposant une meilleure estimation du facteur de remplissage non recuit (FF) de 0,28 provenant de dispositifs de mélange en vrac) correspond à un PCE de 0,004 %.

Les seules autres mesures photovoltaïques des dispositifs à nanoparticules PFB:F8BT étaient des parcelles d'efficacité quantique externe (EQE). Dispositifs photovoltaïques multicouches fabriqués à partir de nanoparticules PFB:F8BT, qui ont démontré les rendements de conversion de puissance les plus élevés observés pour ces matériaux de nanoparticules de polyfluorène.

Cette performance accrue a été obtenue grâce au contrôle des énergies de surface des composants individuels dans la nanoparticule de polymère et au traitement post-dépôt des couches de nanoparticules de polymère. De manière significative, ce travail a montré que les dispositifs photovoltaïques organiques nanoparticulaires fabriqués (NPOPV) étaient plus efficaces que les dispositifs de mélange standard (Figure plus loin).

Étape 4: Figure

Comparaison des caractéristiques électriques des dispositifs à nanoparticules et à hétérojonction en vrac. (a) Variation de la densité de courant en fonction de la tension pour un PFB:F8BT à cinq couches (poly(9, 9-dioctylfluorène-co-N, N'-bis(4-butylphényl)-N, N'-diphényl-1, 4-phénylènediamine) (PFB); nanoparticules de poly(9, 9-dioctylfluorène-co-benzothiadiazole (F8BT)) (cercles pleins) et un dispositif à hétérojonction en vrac (cercles vides); (b) Variation de l'efficacité quantique externe (EQE) vs longueur d'onde pour un nanoparticule PFB:F8BT à cinq couches (cercles pleins) et un dispositif à hétérojonction en vrac (cercles vides) Le tracé EQE pour le dispositif à film nanoparticulaire est également représenté (ligne pointillée).

L'effet des cathodes Ca et Al (deux des matériaux d'électrode les plus courants) dans les dispositifs OPV basés sur des dispersions aqueuses de nanoparticules de polymère (NP) de mélange de polyfluorène. Ils ont montré que les dispositifs PFB:F8BT NPOPV avec cathodes Al et Ca/Al présentent un comportement qualitativement très similaire, avec un pic PCE de ~0,4% pour Al et ~0,8% pour Ca/Al, et qu'il existe une épaisseur optimisée distincte pour le Dispositifs NP (Figure suivante). L'épaisseur optimale est une conséquence des effets physiques concurrents de la réparation et du remplissage des défauts pour les films minces [32, 33] et du développement de la fissuration sous contrainte dans les films épais.

L'épaisseur de couche optimale dans ces dispositifs correspond à l'épaisseur critique de fissuration (CCT) au-dessus de laquelle la fissuration sous contrainte se produit, ce qui entraîne une faible résistance au shunt et une réduction des performances du dispositif.

Étape 5: Chiffre

Variation de l'efficacité de conversion de puissance (PCE) avec le nombre de couches déposées pour les dispositifs photovoltaïques organiques nanoparticulaires PFB:F8BT (NPOPV) fabriqués avec une cathode Al (cercles pleins) et une cathode Ca/Al (cercles vides). Des lignes pointillées et pointillées ont été ajoutées pour guider le regard. Une erreur moyenne a été déterminée sur la base de la variance pour un minimum de dix dispositifs pour chaque nombre de couches.

Ainsi, les dispositifs F8BT améliorent la dissociation des excitons par rapport à la structure BHJ correspondante. De plus, l'utilisation d'une cathode Ca/Al entraîne la création d'états de gap interfacial (Figure plus loin), qui réduisent la recombinaison des charges générées par le PFB dans ces dispositifs et restaurent la tension en circuit ouvert au niveau obtenu pour un dispositif BHJ optimisé., résultant en un PCE proche de 1%.

Étape 6: Chiffre

Diagrammes de niveaux d'énergie pour les nanoparticules PFB:F8BT en présence de calcium. (a) Le calcium diffuse à travers la surface des nanoparticules; (b) Le calcium dope la coque riche en PFB, produisant des états de trou. Le transfert d'électrons se produit à partir d'états d'espaces remplis produisant du calcium; (c) Un exciton généré sur le PFB s'approche du matériau PFB dopé (PFB*), et un trou passe à l'état d'espacement rempli, produisant un électron plus énergétique; (d) Le transfert d'électrons d'un exciton généré sur F8BT vers l'orbitale moléculaire inoccupée la plus élevée du PFB (LUMO) ou le PFB * LUMO rempli d'énergie inférieure est entravé.

Dispositifs NP-OPV fabriqués à partir de nanoparticules P3HT:PCBM dispersées dans l'eau qui présentaient des rendements de conversion de puissance (PCE) de 1,30 % et des rendements quantiques externes de pointe (EQE) de 35 %. Cependant, contrairement au système PFB:F8BT NPOPV, les dispositifs P3HT:PCBM NPOPV étaient moins efficaces que leurs homologues à hétérojonction en vrac. La microscopie à rayons X à transmission à balayage (STXM) a révélé que la couche active conserve une morphologie NP hautement structurée et comprend des NP core-shell consistant en un core PCBM relativement pur et une coque P3HT:PCBM mélangée (Figure suivante). Cependant, lors du recuit, ces dispositifs NPOPV subissent une ségrégation de phase étendue et une diminution correspondante des performances du dispositif. En effet, ce travail a fourni une explication de la plus faible efficacité des dispositifs OPV P3HT:PCBM recuits, car le traitement thermique du film de NP entraîne une structure effectivement "sur-recuite" avec une ségrégation de phase grossière se produisant, perturbant ainsi la génération et le transport de charge.

Étape 7: Résumé de la performance des NPOPV

Un résumé des performances des dispositifs NPOPV rapportés au cours des dernières années est présenté dans

Table. Il ressort clairement du tableau que les performances des appareils NPOPV ont considérablement augmenté, avec une augmentation de trois ordres de grandeur.

Étape 8: Conclusions et perspectives d'avenir

Le développement récent de revêtements NPOPV à base d'eau représente un changement de paradigme dans le développement de dispositifs OPV à faible coût. Cette approche permet simultanément de contrôler la morphologie et d'éliminer le besoin de solvants inflammables volatils dans la production de dispositifs; deux défis clés de la recherche actuelle sur les dispositifs OPV. En effet, le développement d'une peinture solaire à base d'eau offre la perspective alléchante d'imprimer des dispositifs OPV de grande surface en utilisant n'importe quelle installation d'impression existante. De plus, il est de plus en plus reconnu que le développement d'un système OPV imprimable à base d'eau serait très avantageux et que les systèmes de matériaux actuels à base de solvants chlorés ne sont pas adaptés à une production à l'échelle commerciale. Les travaux décrits dans cette revue montrent que la nouvelle méthodologie NPOPV est généralement applicable et que les PCE des dispositifs NPOPV peuvent être compétitifs avec les dispositifs construits à partir de solvants organiques. Cependant, ces études révèlent également que, du point de vue des matériaux, les NP se comportent complètement différemment des mélanges de polymères filés à partir de solvants organiques. En effet, les NP sont un tout nouveau système matériel, et en tant que tel, les anciennes règles de fabrication des dispositifs OPV qui ont été apprises pour les dispositifs OPV à base organique ne s'appliquent plus. Dans le cas des NPOPV à base de mélanges de polyfluorène, la morphologie des NP se traduit par un doublement de l'efficacité du dispositif. Cependant, pour les mélanges polymère:fullerène (par exemple, P3HT:PCBM et P3HT:ICBA), la formation de la morphologie dans les films NP est très complexe et d'autres facteurs (tels que la diffusion du noyau) peuvent dominer, ce qui entraîne des structures et des efficacités de dispositif non optimisées. Les perspectives d'avenir de ces matériaux sont extrêmement prometteuses, les rendements des appareils étant passés de 0,004 % à 4 % en moins de cinq ans. La prochaine étape de développement consistera à comprendre les mécanismes qui déterminent la structure des NP et la morphologie des films NP et comment ceux-ci peuvent être contrôlés et optimisés. À ce jour, la capacité de contrôler la morphologie des couches actives d'OPV à l'échelle nanométrique n'a pas encore été réalisée. Cependant, des travaux récents démontrent que l'application de matériaux NP peut permettre d'atteindre cet objectif.