1. Przegląd granic
Organiczne ogniwa słoneczne (OSC) są uważane za obiecujących kandydatów w technologii fotowoltaicznej nowej generacji ze względu na ich wyjątkowe zalety, w tym przetwarzalność rozwiązania, kompatybilność z elastycznymi podłożami i skalowalność w przypadku produkcji na dużych obszarach. W ostatnich latach postęp w materiałach będących donorami polimerów i akceptorami niefulerenowymi spowodował znaczny postęp, zwiększając efektywność konwersji mocy (PCE) sztywnych OSC do ponad 20%. Jednak wydajność elastycznych OSC nadal pozostaje w tyle za sztywnymi OSC. Aby w pełni wykorzystać potencjał organicznych ogniw słonecznych w urządzeniach przenośnych i ubieralnych, szczególnie ważny stał się rozwój elastycznych OSC opartych na ultracienkich podłożach (całkowita grubość urządzenia mniejsza niż 10 μm). Urządzenia takie charakteryzują się doskonałą elastycznością mechaniczną i konformalną łącznością, co pozwala im lepiej dostosować się do złożonych scenariuszy zastosowań. Jednak osiągnięcie wysokiej wydajności i solidnej stabilności mechanicznej w ultracienkich, elastycznych OSC pozostaje podstawowym wyzwaniem, kluczowym dla ich praktycznego zastosowania w rzeczywistych zastosowaniach.
Chociaż wysokosprawna chromatografia cieczowa (HTL) oparta na SAM była szeroko badana w sztywnych urządzeniach, rozwój HTL opartych na SAM w elastycznych OSC pozostaje w dużej mierze niezbadany. Możliwość ekstrakcji otworów w SAM jest bardzo wrażliwa na grubość warstwy i pokrycie powierzchni. Obecne techniki osadzania często powodują powstawanie dużych klastrów, co prowadzi do słabego pokrycia powierzchni elektrody ITO.
2. Przegląd literatury Autorzy opracowali prostą i skuteczną strategię modyfikacji w celu optymalizacji morfologii SAM na elastycznych podłożach. Dzięki wprowadzeniu małocząsteczkowej H-TPAc udało się uzyskać równomierny i gęsty rozkład SAM na elastycznych elektrodach. SAM modyfikowane H-TPAc działają jako pomost między elektrodą ITO a warstwą aktywną, nie tylko poprawiając morfologię warstwy aktywnej, ale także tłumiąc rekombinację ładunku i sprzyjając gromadzeniu się ładunku. Ponadto modyfikacja ta znacznie poprawia wydajność i stabilność mechaniczną. Dla trójskładnikowych sztywnych urządzeń PM6:L8-BO:BTP-eC9 współczynnik PCE niezmodyfikowanego urządzenia opartego na SAM wyniósł 19,0%, podczas gdy PCE zmodyfikowanego urządzenia opartego na SAM wzrósł do 19,7%. Warto zauważyć, że trójskładnikowe ultracienkie, elastyczne urządzenia wyprodukowane przy użyciu tej strategii osiągnęły imponujący współczynnik PCE na poziomie 17,5%. Jednocześnie urządzenia te wykazywały doskonałą stabilność mechaniczną, utrzymując odpowiednio 94% i 90% sprawności początkowej po 2000 cyklach zginania i cyklicznego ściskania przy rozciąganiu. Strategie modyfikacji SAM mają ogromny potencjał w opracowywaniu nowych materiałów HTL i dalszej optymalizacji wydajności urządzenia.
Rysunek 1. a) Struktura molekularna Br-2PACz. b) Struktury molekularne materiałów drobnocząsteczkowych TCAc, TAAc, TPAc i H-TPAc. c) Kąty zwilżania ITO pokrytych różnymi SAM. d) Obrazy z mikroskopu sił atomowych (AFM) ITO pokrytego różnymi SAM. e) Przewodność różnych HTL. f) Widma spektroskopii fotoelektronów w ultrafiolecie (UPS) ITO/SAM i ITO/m-SAM. g) Poziomy energii ITO, ITO/SAM i ITO/M-AM.
Zmniejsza się chropowatość powierzchni ITO pokrytego modyfikowanym Br-2PACz SAM. Br-2PACz modyfikowany próbką H-TPAc wykazuje najgładszą powierzchnię, przy RMS 2,44 nm. Przewodność elektryczna Br-2PACz znacząco wzrosła z 1,53 × 10-3 S/m do 2,05 × 10-3 S/m po modyfikacji H-TPAc. Elastyczność długiego łańcucha pozwala cząsteczkom dostosować swoją orientację na podłożu, zapobiegając w ten sposób tworzeniu się klastrów Br-2PACz. Ponadto wprowadzenie wiązań wodorowych dodatkowo wzmacnia oddziaływania molekularne z Br-2PACz i tłumi nieuporządkowane układanie, osiągając w ten sposób najniższy RMS.
Rysunek 2. Aktualne obrazy PF-TUNA (a) Br-2PACz SAM i (b) zmodyfikowanego Br-2PACz SAM w ITO. (c) wzory rozpraszania 2D GIWAXS Br-2PACz SAM i (d) zmodyfikowany Br-2PACz SAM. ( e ) Krzywe rozproszenia linii Br-2PACz SAM i zmodyfikowanego Br-2PACz SAM wycięte z wzoru 2D GIWAXS.
Dolna odległość układania wskazuje, że m-SAM wykazuje ściślejszą kapsułkę molekularną na powierzchni ITO. Oddziaływanie pomiędzy ugrupowaniem tiofenowym w cząsteczce H-TPAc i ugrupowaniem karbazolowym w Br-2PACz spowoduje utworzenie silniejszych sprzężonych wiązań π, znacznie zwiększając w ten sposób transport ładunku.
Rysunek 3. Obrazy AFM ITO na (a) Br-2PACz SAM i (b) zmodyfikowanym Br-2PACz SAM. 2D GIWAXS wzorce rozpraszania warstwy hybrydowej PM6:L8-BO na (c) Br-2PACz SAM i (d) zmodyfikowanym Br-2PACz SAM. e) Krzywe rozproszenia linii folii hybrydowej PM6:L8-BO wyciętej ze wzoru 2D GIWAXS.
Folia hybrydowa na modyfikowanym Br-2PACz SAM wykazuje gładszą powierzchnię o RMS 1,09 nm, jak pokazano na rysunkach 3a i 3b. Folia hybrydowa charakteryzuje się wyraźną, przenikającą się strukturą włóknistej sieci 3D, która ułatwia efektywną dysocjację ekscytonów i poprawia efektywność transportu ładunku. Ilościowa analiza ułożenia π-π ujawnia zwiększone uporządkowanie strukturalne w mieszaninie osadzonej na zmodyfikowanym Br-2PACz SAM.
Rysunek 4: Struktury chemiczne PM6, L8-BO i BTP-eC9. b) Krzywe JV sztywnego OSC. c) Widma EQE sztywnego OSC. d) Statystyki PCE sztywnego OSC w oparciu o różne SAM.
Rysunek 5. a) Struktura urządzenia ultracienkiego, elastycznego OSC. b) Zdjęcie ultracienkiego elastycznego OSC. c) Krzywa JV ultracienkiego elastycznego OSC. d) Widmo EQE ultracienkiego, elastycznego OSC. e) Statystyki PCE ultracienkich, elastycznych OSC w oparciu o różne SAM. f) Krzywe JV ultracienkiego elastycznego OSC przed i po procesie obierania. g) Pomiar przejściowego fotoprądu (TPC) OSC. h) Pomiar chwilowego fotowoltaiki (TPV) OSC. i) Ciemna krzywa JV ultracienkiego, elastycznego OSC.
PCE ultracienkiego elastycznego OSC opartego na m-SAM wynosi 17,5%, czyli jest znacznie wyższy niż ultracienkiego elastycznego OSC opartego na SAM (16,7%). Ultracienki, elastyczny OSC oparty na m-SAM wykazuje wyższą EQE w obszarze światła widzialnego (rysunek 5d). Histogram liczby PCE ultracienkiego, elastycznego OSC pokazano na rysunku 5e. Średni współczynnik PCE ultracienkiego, elastycznego OSC na bazie m-SAM sięga 17,3%, podczas gdy ultracienkiego, elastycznego OSC na bazie SAM wynosi zaledwie 16,3%. Co więcej, pogorszenie wydajności samodzielnego, ultracienkiego, elastycznego OSC po oderwaniu od nośnego podłoża szklanego jest znikome (rysunek 5f).
Rysunek 6. a) Cykliczna próba ściskania i rozciągania ultracienkiego elastycznego OSC. Zmiana znormalizowanego (b) napięcia w obwodzie otwartym, (c) współczynnika wypełnienia, (d) prądu zwarciowego i (e) wydajności w ultracienkich OSC o różnych stopniach sprężania. f) Znormalizowana wydajność ultracienkiego, elastycznego OSC w funkcji cyklu ściskania i rozciągania. g) Znormalizowana wydajność ultracienkiego elastycznego OSC w funkcji okresu zginania. h) Stabilność przechowywania ultracienkiego, elastycznego OSC w atmosferze N2.
3. Podsumowanie literatury
Podsumowując, autorzy opracowali prostą strategię wytwarzania wydajnych, sztywnych i ultracienkich, elastycznych OSC poprzez modyfikację Br-2PACz drobnocząsteczkowym H-TPAc, co poprawia jednorodność i pokrycie SAM na elektrodach ITO. Wraz z wprowadzeniem H-TPAc uporządkowane rozmieszczenie cząsteczek Br-2PACz ulega znacznej poprawie, optymalizując w ten sposób transport ładunku i działając jako pomost regulujący mikrostrukturę warstwy aktywnej. W przypadku sztywnych urządzeń trójskładnikowych PM6:L8-BO:BTP-eC9 współczynnik PCE niezmodyfikowanego urządzenia opartego na SAM wyniósł 19,0%, podczas gdy PCE zmodyfikowanego urządzenia opartego na SAM wzrósł do 19,7%. Trójskładnikowe ultracienkie, elastyczne urządzenie OSC wyprodukowane przy użyciu strategii m-SAM osiągnęło znaczną wydajność na poziomie 17,5% i utrzymało 94,0% swojej początkowej wydajności po 2000 cyklach zginania. Co więcej, urządzenie zachowało 90% pierwotnego PCE po 2000 cyklach ściskania i rozciągania. Strategia ta nie tylko zapewnia obiecującą metodę poprawy wydajności i stabilności OSC, ale także oferuje nowy kierunek stosowania elastycznych urządzeń, torując drogę postępowi w elastycznej elektronice nowej generacji.
Odpowiednie wyniki badań opublikowano niedawno w cieszącym się międzynarodową renomą czasopiśmie *Advanced Energy Materials*, zatytułowanym „High-Performance Ultrathin Elastic Organic Solar Cells Through the Modification of Self-Assembled Monolayers”.
Słowa kluczowe: Ultracienkie elastyczne organiczne ogniwa słoneczne, SAM, sztywność trójskładnikowa, samoorganizacja, warstwa transportująca dziury
