Polimer Güneş Pili Yeni Rekor Talep Etmeyi Umuyor
Fotoğraf : -1.molekül=polimer elektron vericisi. -2.molekül=küçük elektron kabul edici molekül
Daha iyi uyumluluk için iki organik molekülün mühendisliği, polimer güneş hücrelerinin dönüşüm verimliliğini % 14.2’ye yükseltir.
Bir polimerin elektronik özelliklerini ve yan zincir yapısını dikkatlice uyarlayarak, araştırmacılar şu an en iyi performans gösteren organik güneş pillerinden birini yapmışlardır. Laboratuvardaki testlerde, polimer güneş pili güneş ışığındaki enerjinin % 14.2’sini bir elektrik akımına dönüştürür.Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL) gibi güneş pili performansını akredite etmek için altın standart ajanslardan biri tarafından onaylanmışsa, bu organik hücreler için bir kayıt olacaktır.-ancak, defneleri almaya yetecek kadar istikrarlı değildir (J. Am. Chem. Soc. 2018, DOI: 10.1021 / jacs.8b02695).
Organik güneş hücreleri şeffaf, hafif ve esnek olabilir. Bu malzemelerin avantajı, birçoğunun bir çözücü ile karıştırılabilmesi ve büyük plastik rulolara yüksek hızda basılabilmeleridir – gazetelere baskı yapmak gibi. North Carolina State Üniversitesi’nden fizikçi Harald W. Ade, “Bu ucuz bir süreç” diyor. Ancak polimer güneş pilleri, verimi düşük kaldığı için yaygın olarak benimsenmedi.
Ade, Çin Bilimler Akademisi’ndeki kimyacı Jianhui Hou ile daha verimli polimer güneş hücreleri üretme konusunda işbirliği yapıyor. Bu tür hücreler iki iyi uyumlu organik molekül gerektirir. Birincisi, genellikle bir polimer, ışığı emer ve heyecan verici bazı yükler üretir. İkincisi, genellikle küçük bir moleküldür, elektronları elektrotlardan geçirerek elektrotlardan akmasını sağlar, böylece hücre akım üretebilir. Buradaki zorluk, kimyagerlerin, donör(verici) polimerin ışık absorpsiyonunu geliştirdiği zaman, elektronik özelliklerinin alıcı ile iyi bir şekilde eşleşmeyeceği ve bir molekülden diğerine elektron transferini engelleyebileceği yönündedir. Diğer durumlarda, iki molekül artık etkileşime girecek kadar yakın oturamayabilir. İyi bir polimer güneş pili yapmak, patlatılan bir oyuna benzer: Kimya mühendisleri bir problemi çözmek için sadece bir başka problemi çözerler.
Sürekli bilinen fullerenlerden daha verimli olan yeni alıcı moleküllerin tasarlanmasındaki son gelişmeler, hücrelerin performansında önemli gelişmeler sağladı. Bu yılın başlarında, Fizikçiler Ade ve Hou, flor gruplarının elektronları güçlü bir şekilde çeken ve onları verici polimerden uzaklaşıp güçlenmesini teşvik eden IT-4F adlı yeni bir alıcı molekülü üzerinde işbirliği yaptılar (Adv. Mat. 2018, DOI: 10.1002 / adma ,201707170). Ancak bu polimerin hala bir problemleri vardı: Geleneksel bir verici polimerle eşleştirildiğinde, iki molekülün enerji seviyeleri iyi eşleşmedi, bu yüzden hücrenin verimliliği sınırlıydı.
Bu sorunu ele almak için Hou, benzodithiophene dayanan donör polimeri, IT-4F için daha iyi bir eş olarak ayarladı. Flor içeren fonksiyonel gruplar ekleyerek, polimerin bağışlayabildiği elektronların enerjisini değiştirerek, elektronların vericiden alıcıya daha kolay atlamasını sağlar. “Bunların hepsi kimyasal sezgiyle yapılıyor” diyor Ade.
Daha sonra, iki molekülün fiziksel olarak hizalanabilmelerini sağlamak istediler, böylece elektronları çözelti içinde aktarabiliyorlardı. Polimer malzemelerin morfolojisini ve kendi kendine montajını inceleyen uzman grubu Ade, tasarımın bu kısmına yardımcı oldu. Polimere üç farklı yan zincir eklemeyi denediler ve molekülleri kompakt bir yapı oluşturmaya teşvik eden 10-karbon, n-desil zinciri üzerine yerleştiler ve bu da alıcı ile etkileşimlerini geliştirdi.
Karışımdan dökülen güneş pilleri laboratuvarda % 14.2’lik bir dönüşüm verimliliğine sahipti. Mevcut resmi rekor sahibi, Hong Yan Üniversitesi Fen ve Teknoloji Üniversitesi tarafından Ade ile işbirliği içinde yapılan bir organik güneş pili, % 11,5 oranında NREL tarafından onaylandı. Ade, ekibinin hücrelerini yeterince sağlam olmadıkları için sertifikasyon için NREL’e göndermediğini söylüyor: IT-4F kolayca yayılıyor ve hücrede dolaşıyor, bu yüzden araştırmacılar daha başka bir moleküler köstebek patlatırlar. Ancak Ade, bunun organik hücrelerle ortak bir sorun olduğunu ve küçük molekülü daha büyük yaparak çözülebileceğini söylüyor.
Yan, Ade ve Hou’nun iyi bir şirket olduğunu söylüyor; birçok laboratuvar son zamanlarda, organik olmayan hücrelerdeki fulleren alıcıları kullanan verimlilik artışlarını açıklayan makaleler yayınladı. Hiçbiri NREL’in şampiyona hücresi tablosunda gösterilmedi ancak Yan bir kez kararlılık sorunlarının ele alınacağını umuyor. Yanal olmayan tasarımlar, organik güneş pillerinin yaygın ticari kabulüne doğru yolu açabilir, diyor Yan. Malzemelerin kimyası ve kararlılık problemleri hakkında daha iyi bir anlayışa ihtiyaç duyulmasına rağmen, bu tür organik güneş pilleri “geleceklerdir, tabii ki,” diyor.
Ade, “Birkaç yılda % 18 veya 20’lik verimin kartlarda olacağını düşünüyorum, bunun ötesinde çok zorlaşıyor” diyor. “Bu alandaki sorun, deneme ve yanılmaya dayanıyor” diye ekliyor. Ade, organik güneş malzemelerinin kendiliğinden toplanmasının daha iyi modellerini geliştirmenin alanın daha hızlı ilerlemesine yardımcı olacağını düşünüyor.
Kaynak : acs.org
