تخيل مستقبلًا حيث يمكن لشاشات الهواتف وواجهات المباني وحتى الخيام توليد الكهرباء بسهولة-وهو إنجاز أصبح ممكنًا بفضل الإمكانات الهائلة للخلايا الشمسية البوليمرية (PSCs). بالمقارنة مع الألواح الشمسية التقليدية- المصنوعة من السيليكون، أصبحت الألواح الشمسية PSC، مع مزاياها الفريدة المتمثلة في كونها خفيفة الوزن ومرنة وقابلة للطباعة-لتصنيع أجهزة ذات مساحة كبيرة-، نجمًا صاعدًا في مجال الطاقة الجديد. ومع ذلك، فإن عنق الزجاجة الأساسي لتحقيق التطبيق التجاري يكمن في تحسين كفاءة التحويل الكهروضوئي (PCE). على مدار العقد الماضي، ارتفع معدل نفقات الاستهلاك الشخصي من حوالي 1% إلى أكثر من 11%، وأحد القوى الدافعة الرئيسية وراء ذلك هو تصميم وتحسين-المواد الكهروضوئية البوليمرية عالية الأداء.
1. من البوليثيوفين إلى D-A البوليمرات المشتركة
ركزت الأبحاث المبكرة على البوليمرات المتجانسة من البولي ثيوفين مثل P3HT، لكن طيف الامتصاص الضيق ومستوى HOMO العالي حد من كفاءتها. لقد اخترق الباحثون هذا القيد من خلال التصميم الجزيئي: على سبيل المثال، إدخال فرعين مترافقين -بعدين مثل إيثيلين ثنائي البيسثيوفين على البولي ثيوفين لم يؤدي فقط إلى توسيع طيف الامتصاص ولكن أيضًا خفض مستوى HOMO بحوالي 0.2 فولت، مما أدى إلى تحسين جهد الدائرة المفتوحة وتيار الدائرة القصيرة- بشكل ملحوظ، مما أدى إلى زيادة الكفاءة من 2.41% إلى 3.18%. تتمثل الإستراتيجية الأخرى في تقليل عدد سلاسل الألكيل وإدخال مجموعات سحب الإلكترون - مثل مجموعات الإستر، والتي يمكنها أيضًا خفض مستوى طاقة HOMO بشكل فعال وتحسين المركبات العضوية المتطايرة (على سبيل المثال، PDGBT يصل إلى 0.91 فولت) والكفاءة (7.2%).
2. البنزوديثيوفين (BDT)
جاء الإنجاز الثوري الحقيقي من بنية البوليمر المشترك المتناوب-المستقبل (D-A). ومن بينها، برزت وحدة البنزوديثيوفين (BDT) بسبب طائرتها المترافقة الكبيرة، وحركتها العالية، وسهولة تعديلها الهيكلي. في عام 2008، كان الباحث Hou Jianhui رائدًا في استخدام BDT في تصميم البوليمر - في مجموعة أبحاث يانغ. بعد ذلك، أصبح الجمع بين BDT والثيوفين[3,4-b]الثيوفين (TT) هو الاقتران الذهبي للمواد عالية الأداء.
لمزيد من استكشاف إمكانات البوليمرات المشابهة لـ BDT-، يمكن اعتماد فروع مترافقة ثنائية الأبعاد واستراتيجيات الفلورة:
يؤدي إدخال فرعين مترافقين-بعديين في وحدة BDT إلى توسيع مساحة π-الإلكترون المترافق للجزيء بشكل كبير. وهذا لا يعزز التفاعلات بين الجزيئات وقدرات نقل الشحنة فحسب، بل يعدل أيضًا بشكل فعال طيف الامتصاص ومستوى الطاقة الجزيئية. على سبيل المثال، PBDTTT-C-T، PTB7-Th، وأحدث PBDT-TS1، والتي حققت اختراقات في الكفاءة تزيد عن 10%، استفادت جميعها من هذا التصميم.
يمكن أن يؤدي الإدخال الانتقائي لذرات الفلور- القوية في السلاسل الجانبية أو وحدات متقبل TT في BDT إلى تقليل مستوى طاقة HOMO للبوليمر بشكل تآزري وكبير، وبالتالي تحسين جهد الدائرة المفتوحة -للجهاز بشكل كبير. من PBT-OF إلى PBT-3F، مع زيادة عدد ذرات الفلور، يزيد المركبات العضوية المتطايرة من 0.56 فولت إلى 0.78 فولت، وتقفز الكفاءة من 4.5% إلى 8.6%.
3. التحكم المورفولوجي
لا يعتمد الأداء العالي على المادة نفسها فحسب، بل يعتمد أيضًا على البنية المجهرية للوصلة غير المتجانسة التي يشكلها مزيج المانح/المتقبل في الطبقة النشطة. يجب أن يكون الشكل صحيحًا تمامًا: إذا كانت منطقة الطور كبيرة جدًا، فسوف تتحد الإكسيتونات مرة أخرى قبل أن تتمكن من الانفصال؛ إذا كانت منطقة الطور صغيرة جدًا، فسيتم أيضًا إعادة تجميع الرسوم المجانية بسهولة. اكتشف الباحثون طريقتين للتحكم في خلطات البوليمر:
معالجة المذيبات الخضراء: لتجنب المذيبات المهلجنة السامة، استكشف الباحثون استخدام المذيبات الخضراء مثل o-زيلين و o- أنيسول الميثيل (MA)، مع إضافات محددة (مثل NMP)، مما أدى بنجاح إلى تكرار الشكل الممتاز المشابه لأنظمة المذيبات المهلجنة وتحقيق كفاءة عالية تصل إلى 10% تقريبًا.
تحسين البنية الجزيئية: من خلال التصميم لجعل العمود الفقري للبوليمر أكثر خطية، أو زيادة المساحة المترافقة، أو ضبط السلاسل الجانبية الألكيل بدقة، يمكن التحكم بشكل فعال في التبلور والتعبئة الجزيئية للبوليمر، وبالتالي الحصول على أشكال مزيج مثالي.
باعتبارها مكونًا مهمًا للطاقة الخضراء، تقود المواد الكهروضوئية البوليمرية اتجاه تحويل الطاقة بخصائصها ومزاياها الفريدة. ومع التقدم التكنولوجي المستمر والتوسع في السوق، ستظهر المواد الكهروضوئية البوليمرية آفاق تطبيق أوسع وإمكانات سوقية هائلة في المستقبل. دعونا نتطلع إلى المواد الكهروضوئية البوليمرية التي توفر حلول طاقة أنظف وأكثر كفاءة واستدامة للمجتمع البشري!
