A célula solar de polímero é composta por um dador de polímero conjugado de tipo p e um derivado de fullereno ou uma camada ativa de mistura semicondutora de meio semicondutor de tipo n-fullereno intercalada entre um eletrodo condutor transparente e um eletrodo de metal. As vantagens proeminentes do processamento da solução, do peso leve e da capacidade de serem transformados em dispositivos flexíveis e semi-transparentes tornaram-se o foco da pesquisa no campo global de energia nos últimos anos. As aplicações comerciais de células solares de polímero requerem alta eficiência do dispositivo, alta estabilidade e baixo custo Isso depende principalmente do desenvolvimento de materiais fotovoltaicos.
Uma vez que Alan J. Heeger e outros propuseram o conceito de heterojunção em massa em 1995, a pesquisa de materiais e dispositivos fotovoltaicos de células solares de polímero foi desenvolvida continuamente. Na fase inicial da pesquisa, a eficiência do dispositivo é muito baixa e o foco da pesquisa é principalmente na melhoria. Eficiência, projetando e sintetizando sistemas de banda estreita, absorção ampla e materiais fotovoltaicos de dador de polímero com níveis inferiores de HOMO e materiais fotovoltaicos de aceitação de derivados de fullereno com níveis de energia LUMO maiores, para aumentar a corrente de curto-circuito do dispositivo Eficiência de conversão de tensão e energia de circuito aberto. Nos últimos anos, com o desenvolvimento de materiais fotovoltaicos de aceitunas semicondutoras semicondutoras de n-bandgap de banda estreita e a absorção de materiais fotovoltaicos de doadores de polímero de larga faixa complementar, células solares de polímero A eficiência da conversão de energia aumentou rapidamente. Recentemente, a eficiência dos dispositivos de área pequena no laboratório excedeu 12-13%, o que atingiu o limiar de aplicação prática. Portanto, melhorar a estabilidade e reduzir os custos se tornaram aplicações práticas para células solares de polímero. A chave. No entanto, a maioria dos materiais fotovoltaicos de alta eficiência que foram reportados até agora têm uma estrutura complexa e são difíceis de sintetizar. É difícil atender às necessidades de aplicações comerciais. Os materiais fotovoltaicos econômicos serão um grande desafio para aplicações comerciais de células solares de polímeros.
Sob o apoio da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China e da Academia Chinesa de Ciências, pesquisadores da Academia Chinesa de Ciências e pesquisador do Instituto de Química, o Instituto de Pesquisa de Sólidos Orgânicos da China, Instituto de Química das Ciências, Li Yongji, recentemente concebeu e sintetizou um material de doador de polímero de baixo custo e alta eficiência PTQ10. (A estrutura molecular é mostrada na Figura a). PTQ10 é uma estrutura simples de copolímero DA, em que o anel de tiofeno como unidade doadora, a quinoxalina como unidade receptora. A cadeia lateral de alcoxi introduzida na quinoxalina para melhorar a polimerização A solubilidade do material e a absorção de luz melhorada, a introdução de substituições de átomos de bifluorina para reduzir o nível HOMO do polímero e aumentar a mobilidade do furo. A molécula pode ser sintetizada em duas etapas por matérias-primas baratas (Figura c) e, ao mesmo tempo, atingir cerca de 90% O rendimento total reduz o custo do material. Mais importante, usando o PTQ10 como doador, a estrutura relativamente simples do IDIC semicondutor orgânico de tipo n (Fig. A) é a célula solar de polímero preparada pelo receptor (veja a estrutura do dispositivo A eficiência máxima de conversão de energia da Figura b) atinge 12,70%, enquanto a eficiência do dispositivo de estrutura inversa também atinge 12,13% (a eficiência, conforme confirmado pelo Instituto de Metrologia da China, é 12%) Ao mesmo tempo, a eficiência do dispositivo pode exceder 10% com a espessura da camada ativa entre 100nm e 300nm, o que é muito favorável para a fabricação de dispositivos de grande área. Outros doadores de polímeros de alta eficiência com eficiência superior a 10% relatados na literatura atual Em comparação com o material, o PTQ10 tem uma vantagem muito destacada em termos de produtividade e eficiência independentemente do passo de síntese (Figura d, e).
Considerando as vantagens de baixo custo, alta eficiência e sensibilidade à espessura, o PTQ10 é muito promissor como material de dador de polímero para aplicações comerciais de células solares de polímero. Este trabalho foi publicado em Nature-Communications em 21 de fevereiro (Nat. Commun) 2018, 9, 743).
(a) Estrutura molecular do doador PTQ10 e do receptor IDIC; (b) Diagrama de estrutura do dispositivo da bateria; (c) Via de síntese dos PTQ10; (d) e (e) Etapas de síntese dos materiais do doador de células solares do polímero, rendimentos e Tabela de comparação de análise de eficiência.
