Polymersolceller är lätta, flexibla solpaneler som kan användas för bärbara enheter. Giftiga halogenerade processlösningsmedel som används under tillverkningen av dessa solceller har dock begränsat deras utbredda användning.
Alternativ till halogenerade processlösningsmedel är inte alls lika lösliga, vilket kräver högre temperaturer och längre processtider. Att hitta ett sätt att ta bort behovet av de halogenerade processlösningsmedlen kan förbättra effektiviteten i organiska solceller och göra polymersolceller till ett hållbart alternativ för bärbara enheter.
I en artikel, publicerad i Nano Research Energy den 24 juli beskriver forskare hur förbättrade molekylära interaktioner mellan polymerdonatorerna och de små molekylacceptorerna med hjälp av sidokedjeteknik kan minska behovet av halogenerade processlösningsmedel.
"Blandmorfologi hos polymerdonatorer och acceptorer av små molekyler påverkas i hög grad av deras molekylära interaktioner, vilket kan bestämmas av gränsytenergier mellan donator- och acceptormaterial. När deras ytspänningsvärden är lika, gränsytenergierna och molekylära interaktionerna mellan donatorerna och acceptorerna förväntas vara mer gynnsamma", säger Yun-Hi Kim, professor vid Gyeongsang National University i Jinju, Republiken Korea.
"För att förbättra polymerdonatorernas hydrofilicitet och minska molekylär avblandning kan sidokedjeteknik vara en rimlig väg."
Sidokedjeteknik är när en kemisk grupp, som kallas en sidokedja, läggs till huvudkedjan i en molekyl. De kemiska grupperna i sidokedjan påverkar egenskaperna hos den större molekylen.
Forskare teoretiserade att tillsats av oligoetylenglykol (OEG)-baserade sidokedjor skulle förbättra hydrofilicitet hos polymerdonatorerna tack vare syreatomerna i sidokedjorna. En molekyl med hydrofilicitet attraheras av vatten. Skillnader i hydrofilicitet hos polymerdonatorerna och de små molekylacceptorerna kan påverka hur de interagerar.
Med ökad hydrofilicitet hos polymerdonatorerna och förbättrade interaktioner mellan dem och de små molekylacceptorerna, kan icke-halogenerade processlösningsmedel användas utan att offra solcellens prestanda. Faktum är att polymersolceller gjorda med OEG-baserade sidokedjor fästa till en bensoditiofenbaserad polymerdonator hade en högre effektomvandlingseffektivitet på 17,7 % jämfört med 15,6 %.
För att jämföra resultat designade forskare bensoditiofenbaserade polymerdonatorer med antingen en OEG-sidokedja, kolvätesidokedjor eller sidokedjor som var 50 % kolväte och 50 % OEG.
"Detta klargjorde effekten av sidokedjeteknik på blandningsmorfologi och prestanda hos icke-halogenerade lösningsmedelsbearbetade polymersolceller", sa Kim. "Våra resultat visar att polymerer med hydrofila OEG-sidokedjor kan förbättra blandbarheten med små molekylacceptorer och förbättra energiomvandlingseffektiviteten och enhetsstabiliteten hos polymersolceller under icke-halogenerad bearbetning."
Förutom förbättrad effektomvandlingseffektivitet hade polymersolcellerna med de OEG-baserade sidokedjorna förbättrad termisk stabilitet. Termisk stabilitet är avgörande för att skala polymersolceller, så forskare värmde dem till 120° Celsius och jämförde sedan effektomvandlingseffektiviteten. Efter 120 timmars uppvärmning hade polymererna med kolvätesidokedjorna endast 60 % av sin ursprungliga effektomvandlingseffektivitet och hade oregelbundenheter på sin yta, medan blandningen av kolväte och OEG behöll 84 % av sin ursprungliga effektomvandlingseffektivitet.
"Våra resultat kan ge en användbar riktlinje för att designa polymerdonatorer som producerar effektiva och stabila polymersolceller med hjälp av icke-halogenerade lösningsmedelsbearbetning", säger Kim.
Andra bidragsgivare inkluderar Soodeok Seo, Jin Su Park och Bumjoon J. Kim från Korea Advanced Institute of Science and Technology; Jun-Young Park och Do-Yeong Choi vid Gyeongsang National University; och Seungjin Lee från Korea Research Institute of Chemical Technology.
Mer information: Soodeok Seo et al, Polymerdonatorer med hydrofila sidokedjor som möjliggör effektiva och termiskt stabila polymersolceller genom icke-halogenerad lösningsmedelsbearbetning, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2022.9120088
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
