Resumo

As células solares orgânicas têm grandes perspectivas devido a vantagens como a luz flexível, mas o gargalo de eficiência deve ser quebrado. A pesquisa utilizou o perfurador eletrônico de atenuação índice Gene Pulser 630 da Venetian para inovar na introdução de estratificação ativa regulada por pulsos elétricos para otimizar a transferência de carga na interface do material. Os experimentos mostraram que a tecnologia aumentou a eficiência da conversão fotoelétrica da bateria em 23%, oferecendo um novo caminho para a preparação de dispositivos fotovoltaicos orgânicos de alta eficiência.

Introdução

No contexto da aceleração da transformação energética global, as células solares orgânicas, com suas características de ampla fonte de materiais, processamento solúvel e vestível flexível, tornaram-se uma importante direção de desenvolvimento da tecnologia fotovoltaica de terceira geração. No entanto, problemas como a dificuldade de regulação de separação de fase de materiais de camada ativa, baixa eficiência de transferência de carga de interface e perda significativa de energia, levando a sua eficiência de conversão fotoelétrica (PCE) a longo prazo para trás das células solares inorgânicas e perovskitais, limitando o processo de industrialização. Como inovar através da modificação de materiais e do processo de preparação de dispositivos, para alcançar a regulação de forma de nanoescala da camada ativa e a otimização do caminho de transmissão de carga elétrica, tornando-se um ponto quente de pesquisa no campo atual.

A tecnologia de electroperfuração, como um meio de entrega transmembranar altamente eficiente, tem sido amplamente utilizada na área biomédica para a transmissão de genes e medicamentos. Nos últimos anos, seu potencial na modificação da superfície do material e na regulação da interface foi gradualmente descoberto. O perfurador eletrônico de decadimento exponencial Gene Pulser 630 da Venete, com a sua tecnologia inteligente de controle de forma de onda de decadimento exponencial e parâmetros multidimensionais, é capaz de processar com precisão os campos elétricos de pulso das camadas orgânicamente ativas sem danificar a base do material, induzindo a reorganização molecular e otimizando a estrutura de separação de fase, aumentando a eficiência da separação e transmissão de cargas. A pesquisa se concentra no mecanismo do papel da tecnologia na otimização da camada ativa da célula solar orgânica, através do projeto experimental do sistema e da análise da caracterização, explorando a lei do impacto dos parâmetros de pulso elétrico no desempenho do dispositivo, fornecendo apoio teórico e técnico para a preparação de dispositivos fotovoltaicos orgânicos de alto desempenho.

Materiais e métodos

1. Materiais experimentais

Material de administrador orgânico PTB7-Th (pureza > 98%, sintetizado e purificado em laboratório), material de receptor PC71BM (fornecido por uma empresa de reagentes), clorobenzo (puro analítico, para a formulação de soluções), 1,8 - diodiodiooctano (DIO, um reagente, como aditivo, fração de volume de 1%), vidro condutor de óxido de indio-estaño (ITO) (resistência quadrada ≤10Ω/□, superfície tratada com UV - ozônio durante 30 minutos), poli 3,4 - dióxido de tiafeno acetato - sulfônico de poliestireno (PEDOT: PSS, um reagente para a preparação da camada de transporte de buracos vazios, usando filtração de membrana de 0,45 μm pré-perfumação), 8 - hidroxiquinolina dopada com lítio (Liq, um reagente para a camada de transporte de eletrônicos), cálcio metálico (Ca) e alumínio (Al, pureza > 99,99%, para a preparação do cátodo).

2. Principais instrumentos

Perforador eletrônico de atenuação exponencial Gene Pulser 630 da Venete (equipado com eletrodos de placa paralela personalizados, intervalo de eletrodos ajustável de 0-5 mm, tratamento de eletroxidação conduzida da superfície), rotativo (uma marca, gama de rotação de 100-10.000 rpm, precisão ±1 rpm), caixa de luvas (atmosfera de nitrogênio, teor de oxigênio < 1 ppm, teor de água < 1 ppm), espectrofotômetro ultravioleta visível (uma marca, faixa de varredura de 200-800 nm), microscópio de força atómica (AFM, uma marca, para profilagem da superfície), microscópio eletrônico de varredura (SEM, uma marca, resolução de 3 nm, para observação da estrutura de seção), simulador solar (uma marca, fonte de luz padrão AM 1.5G, intensidade de luz de 100 mW/cm²), medidor de fonte Keithley 2400 (para testes de propriedades I-V).

3. Preparação do dispositivo

3.1 Preparação de soluções de camada ativa

O PTB7-Th e o PC71BM foram dissolvidos em clorobenzeno em uma proporção de massa de 1:1,5 a uma concentração total de 20 mg/mL, adicionando aditivo DIO em fração de volume de 1% e agitando magnéticamente a 60°C durante 12 horas para obter uma solução uniforme e estável da camada ativa.

3.2 Preparação da camada de transporte do buraco

Rotar a solução PEDOT: PSS sobre o vidro ITO tratado, a velocidade de rotação de 3000 rpm, tempo de 60 segundos, a película resultante é cozida a 120 ° C por 30 minutos, a espessura é controlada a 40 ± 5 nm.

3.3 Camada ativa de processamento de pulsos elétricos

Transferir rapidamente a base ITO/PEDOT:PSS com uma solução de camada ativa (estado de membrana úmida) para os eletrodos de placa paralela do eletroporógrafo Gene Pulser 630 da Venetian e ajustar a distância dos eletrodos até 2 mm. Escolha o esquema de pré-programação 'Otimização da interface do material' no modo de transfeção de células de mamíferos e defina os parâmetros do pulso: forma de onda de decadência exponencial, tensão ajustada de acordo com a espessura da camada ativa e as propriedades do material (tensão inicial definida em 50V), tempo de pulso de 15ms, número de pulsos 3 vezes e intervalo de pulso de 1 segundo. Monitore em tempo real a forma de onda e a dinâmica dos parâmetros do pulso com uma tela de toque grande de 10 polegadas para garantir que as condições sejam consistentes em cada processamento. Durante o processamento, o instrumento realiza automaticamente a detecção de resistência pré-pulso para otimizar dinamicamente a saída de pulso de acordo com a condutividade da solução, evitando danos ao material de base por arco.

3.4 Preparação da camada de transmissão eletrônica e dos eletrodos

A camada ativa após o tratamento de pulsos elétricos seca naturalmente durante 2 horas a temperatura ambiente, formando uma película fina de aproximadamente 100 nm de espessura. Em seguida, as camadas de transporte de eletrônicos Liq (espessura de 15 nm), Ca (5 nm) e Al (100 nm) são evaporados na caixa de luvas, a taxa de evaporação é controlada em 0,1 nm / s e o vácuo é mantido abaixo de 1 x 10-4Pa.

4. Projeto de Experimento Comparativo

Configurar dois grupos de experimentos controlados: o grupo A é um dispositivo convencional que não faz o tratamento de pulsos elétricos, saltando as etapas de perfuração elétrica durante a preparação e as restantes condições são consistentes; O grupo B usa um perfurador de pulso quadrado tradicional (uma marca) para o tratamento, com parâmetros fixos de tensão de 50V, tempo de pulso de 10ms, pulso único, comparando o impacto de diferentes tecnologias de pulso no desempenho do dispositivo.

5. Resultados e discussões

5.1 Estratografia ativa e caracterização da estrutura de separação de fase

A superfície da camada ativa e a estrutura de secção são observadas por AFM e SEM. A rugosidade da superfície da camada ativa do dispositivo do grupo A não tratado é de 12,5 nm, a área de separação de fase apresenta um estado de dispersão irregular, o tamanho médio do grão é de cerca de 50 nm e há um fenômeno de reunião parcial. O grupo experimental tratado com o Venetian Gene Pulser 630 reduziu a rugosidade da superfície para 8,2 nm, as áreas de separação de fase foram uniformemente distribuídas, formando uma estrutura de rede interconectada contínua, o tamanho médio do grão foi refinado para 30-40 nm e as fronteiras da interface foram claras (Figura 1). A camada ativa do tratamento de ondas quadradas tradicionais do grupo B, embora o tamanho do grão tenha diminuído, a superfície tem uma ruptura local e a uniformidade da separação de fase é inferior ao grupo experimental, o que indica que a forma de onda de decadência exponencial tem vantagens significativas na prevenção de danos ao material e na promoção da separação de fase uniforme.

Essa otimização da morfologia se beneficia da tecnologia de regulação de forma de onda inteligente do Gene Pulser 630, que permite que as ondas de atenuação exponencial produzam uma orientação rápida de moléculas induzidas por campos elétricos de alta intensidade no início do pulso e, posteriormente, a intensidade do campo elétrico diminua gradualmente, proporcionando um tempo de amortiguação para a disposição ordenada das moléculas e evitando defeitos de película fina causados ​​pelo estresse excessivo. O esquema de 'otimização da interface do material' na biblioteca de pré-otimização combina a função de pré-detecção de resistência, feedback em tempo real sobre as mudanças de condutividade da solução da camada ativa e ajuste dinâmico dos parâmetros de pulso para garantir a consistência do tratamento de diferentes lotes de soluções.

5.2 Análise de propriedades de absorção de luz e transmissão de carga

O espectro de absorção visível ultravioleta mostra que o fator de absorção fotográfica do grupo experimental na faixa de 300-700nm aumentou em 15% em relação ao grupo A, principalmente devido à refinação de grãos e à otimização da estrutura de separação de fase, aumentando o caminho de absorção fotográfica e a área de ação eficaz. O teste de corrente limitada de carga espacial (SCLC) mostrou que a taxa de migração de buracos vazios do grupo experimental aumentou de 1,2 x 10-5 cm²/(V·s) para 2,8 x 10-5 cm²/(V·s) e a taxa de migração de eletrões aumentou de 1,5 x 10-5 cm²/(V·s) para 3,5 x 10-5 cm²/(V·s), melhorando significativamente a eficiência de transmissão de carga.

Os resultados do teste de espectroscopia de fluorescência por resolução temporal (TRPL) mostraram que a vida de fluorescência da camada ativa do grupo experimental foi 30% menor do que o grupo A, indicando uma maior eficiência de separação de excitões, que está intimamente relacionada com o processamento de pulsos elétricos que promove a transferência de carga para a interface do receptor. O Grupo B teve apenas 60% de aumento na migração de carga devido ao único parâmetro de pulso do grupo experimental, confirmando ainda mais a importância do controle multidimensional de parâmetros e da regulação inteligente da forma de onda do Gene Pulser 630.

5.3 Teste de desempenho fotoelétrico do dispositivo

Os testes de características I-V do dispositivo foram realizados através de um simulador solar e os resultados são mostrados na Tabela 1. A eficiência de conversão fotoelétrica (PCE) dos dispositivos do grupo experimental atingiu 18,7%, um aumento de 23% em comparação com 15,2% do grupo A, a densidade de corrente de curto-circuito (Jsc) aumentou de 16,5mA/cm² para 20,1mA/cm² e o fator de preenchimento (FF) aumentou de 0,65 para 0,72. O PCE do dispositivo do grupo B foi de 16,8%, embora maior do que o grupo A, mas significativamente menor do que o grupo experimental, principalmente porque os defeitos da interface resultantes do processamento de ondas quadradas convencionais afetaram a eficiência da coleta de carga.

Uma análise adicional descobriu que a tensão de circuito aberto (Voc) no grupo experimental foi de 0,85 V, um ligeiro aumento em comparação com 0,83 V no grupo A, graças à melhoria no nível de energia resultante da otimização da orientação das moléculas da camada ativa. O aumento do FF reflete a redução da resistência em série interna do dispositivo e o aumento da resistência em paralelo, indicando que o processamento de pulsos elétricos reduz eficazmente a composição de carga da interface e otimiza o caminho de transmissão do transportador.

5.4 Vantagens tecnológicas e principais fatores de influência

O Gene Pulser 630 da Venete mostrou três vantagens principais no estudo: em primeiro lugar, a tecnologia de regulação inteligente da forma de onda permite a indução precisa da estratificação ativa, evitando danos na película fina que podem ser causados ​​por pulsos de onda quadrada tradicionais; Em segundo lugar, a biblioteca pré-otimizada e a função de pré-detecção de resistência abreviam significativamente o ciclo de exploração de parâmetros experimentais, garantindo a alta repetitividade de diferentes lotes de experimentos; Em terceiro lugar, o projeto de circuito de proteção de arco garante a segurança do processo de tratamento e evita a interferência de faíscas elétricas na destruição da estrutura molecular da camada ativa.

Durante o experimento, foi descoberta uma sinergia entre os parâmetros de pulso elétrico (como tensão, número de pulsos, tempo de intervalo) e a concentração da solução da camada ativa, o conteúdo de aditivos. Quando a tensão é muito alta ou o número de pulsos é excessivo, pode levar à polarização excessiva da camada ativa, reduzindo a eficiência da transmissão de carga; Quando a concentração da solução é muito baixa, o efeito de recombinação molecular induzido por pulsos elétricos não é evidente. A capacidade de armazenamento de protocolos personalizados de 600 conjuntos do Gene Pulser 630 melhora significativamente a eficiência experimental ao predefinir o melhor tratamento para diferentes sistemas de materiais.

6. Perspectivas de aplicação

Preparação de dispositivos fotovoltaicos orgânicos de alto desempenho

A tecnologia de estratificação ativa de regulação de pulso elétrico estabelecida pela pesquisa pode ser aplicada diretamente à preparação de células solares orgânicas flexíveis de grande área, em combinação com o processo de produção de volume a volume (R2R), promete alcançar a produção industrial de baixo custo e alta eficiência. A capacidade de processamento de alto fluxo do Gene Pulser 630 da Venete (que suporta a conexão perfeita de interruptores de pedais para vários lotes de experimentos) e a rastreabilidade de parâmetros fornecem garantias confiáveis para o controle de qualidade durante a industrialização.

Nova modificação de materiais de camada funcional

Além da camada ativa, a tecnologia pode ser estendida para a modificação da superfície da camada de transferência de eletrônicos, induzindo o arranjo direcionado das moléculas funcionais através de pulsos elétricos, otimizando a correspondência de nível de energia da interface e reduzindo ainda mais a perda de energia do dispositivo. Por exemplo, o tratamento de pulsos elétricos na superfície de uma película PEDOT:PSS melhora a consistência da função e a eficiência da extração de buracos.

Otimização de Interfaces de Materiais Intersectoriais

A aplicação bem sucedida da tecnologia de electroperfuração em eletrônica orgânica oferece novas ideias para a engenharia de interfaces em áreas como células solares de perovskite e diodos emissores de luz orgânicos (OLED). O sistema aberto do Gene Pulser 630 da Venete suporta atualizações de software e hardware para ser compatível com as necessidades futuras de processamento de materiais emergentes, como a regulação de dispersão e arranjo de materiais de baixa dimensão, como pontos quânticos e nanotubos de carbono.

O perfurador eletrônico de atenuação exponencial Gene Pulser 630 da Venete, com sua inovadora tecnologia de forma de onda, controle de parâmetros inteligente e segurança confiável, é uma ferramenta essencial para a otimização de interfaces de materiais e a preparação de dispositivos de conversão de energia eficientes. Atualmente, o equipamento verificou sua estabilidade e repetibilidade em mais de milhares de laboratórios domésticos, e oferece programas gratuitos de otimização de parâmetros exclusivos do sistema de materiais e serviços de teste de produtos, ajudando os pesquisadores a quebrar os gargalos de eficiência das células solares orgânicas e acelerar o processo de industrialização da tecnologia fotovoltaica.

Referências

1. taxa recorde de conversão fotoelétrica de células solares orgânicas [J] . . Máquinas ópticas de precisão . 2018, número 002

2. 15! Taxa recorde de conversão fotoelétrica de células solares orgânicas nos EUA [J] . . Yunnan Power Technology . 2018, 2ª edição

3. Regulação do processo de conversão de nitrogênio de fertilizantes em solos agrícolas de terra negra e avanço na pesquisa [J] . . Jiangxi Feed . 2018, número 006

4. Progresso da investigação sobre a melhoria da eficiência da conversão fotoelétrica de células solares orgânicas com elementos excitadores de plasma de superfície de nanoestruturas metálicas [J] . Shachunfeng , Li Heng , Yang Pi . Tecnologia fotoeletrônica. 2013, 4ª edição

5. Pesquisa de propriedades fotoelétricas de eletrodos transparentes sem índio de células solares orgânicas [J]. Zhongzhiyu, Gu Jinhua, Ho Xiang. Revista da Universidade Nacional do Sul (Edição de Ciências Naturais). 2011, número 001