Resumen

Las células solares orgánicas tienen amplias perspectivas debido a sus ventajas de flexibilidad y peso ligero, pero el cuello de botella de la eficiencia debe romperse. Se estudia la introducción innovadora de pulsos eléctricos para regular la morfología de la capa activa y optimizar la transmisión de carga eléctrica en la interfaz del material con la ayuda del perforador eléctrico de onda atenuada exponencial Winnie 's Gene pulse 630. Los experimentos muestran que esta tecnología mejora la eficiencia de conversión fotoeléctrica de la batería en un 23%, proporcionando un nuevo camino para la preparación de dispositivos fotovoltaicos orgánicos de alta eficiencia.

Introducción

En el contexto de la aceleración de la transformación energética mundial, las células solares orgánicas se han convertido en una importante dirección de desarrollo de la tecnología fotovoltaica de tercera generación debido a sus amplias fuentes de materiales, procesamiento de soluciones y wearable flexible. Sin embargo, problemas como la dificultad de regulación de la separación de fases, la baja eficiencia de transmisión de carga en la interfaz y la pérdida significativa de energía de los materiales de capa activa han llevado a que su eficiencia de conversión fotoeléctrica (pce) se haya quedado atrás de las células solares inorgánicas y de Perovskita durante mucho tiempo, lo que ha restringido El proceso de industrialización. Cómo lograr la regulación morfológica a nivel nanométrico de la capa activa y la optimización de la ruta de transmisión de carga a través de la modificación de materiales y la innovación del proceso de preparación de dispositivos se ha convertido en un foco de investigación en el campo actual.

Como medio eficiente de entrega entre membranas, la tecnología de electroperforación se ha utilizado ampliamente en la entrega de genes y medicamentos en el campo biomédico. En los últimos años, su potencial en la modificación de la superficie de los materiales y la regulación de la interfaz se ha explorado gradualmente. Con su inteligente forma de onda de atenuación exponencial y tecnología de control de parámetros multidimensionales, el electroperforador de onda de atenuación exponencial weinide Gene pulse 630 puede realizar un tratamiento preciso de campo eléctrico pulsado de películas de capa activa orgánica sin dañar el sustrato del material, inducir la reorganización de la disposición molecular y optimizar la estructura de separación de fases, mejorando así la eficiencia de separación y transmisión de carga eléctrica. La investigación se centra en el mecanismo de Acción de esta tecnología en la optimización de la capa activa de las células solares orgánicas, a través del diseño experimental y el análisis de caracterización del sistema, explora la Ley de influencia de los parámetros de pulso eléctrico en el rendimiento del dispositivo y proporciona soporte teórico y técnico para la preparación de dispositivos fotovoltaicos orgánicos de alto rendimiento.

Materiales y métodos

1. materiales experimentales

El material donante orgánico ptb7 - Th (pureza superior al 98%, sintetizado y purificado por laboratorio), el material receptor pc71bm (proporcionado por una empresa de reactivos), clorobenceno (analizado puro, para preparar soluciones), 1,8 - diyoctano (dio, un reactivo, como aditivo, fracción de volumen 1%), vidrio conductor de óxido de indio y estaño (ito) (resistencia cuadrada ≤ 10 Ohm / □, superficie tratada con ultravioleta - ozono durante 30 minutos), ácido poli3,4 - etoxifeno - poliestireno sulfónico (pedot: pss, un reactivo, para la preparación de la capa de transporte de agujeros, filtrada previamente por película filtrante de 0,45 micras), hidroxi - liquinina dopado con litio (liqiaol)q, un reactivo para capas de transporte electrónico, calcio metálico (ca) y aluminio (al, pureza superior al 99,99%, para la preparación catódica).

2. instrumentos principales

Perforador eléctrico de onda atenuada exponencial weinide Gene pulse 630 (equipado con electrodos paralelos personalizados, rango ajustable de espaciamiento de electrodos de 0 - 5 mm, superficie tratada por oxidación conductora), pulverizador (una marca, rango de velocidad de 100 - 10.000 rpm, precisión ± 1 rpm), guantera (atmósfera de nitrógeno, contenido de oxígeno < 1 ppm, contenido de agua < 1 ppm), espectrómetro ultravioleta - visible (una marca, rango de escaneo de 200 - 800 nm), microscopio de fuerza atómica (afm, una marca, para caracterización de la morfología de la superficie), microscopio electrónico de escaneo (sem, una marca, resolución de 3 nm, para observación de la estructura de sección), simulador solar (una marca, fuente de luz estándar am 1.5g, 100m W / CM m2), tabla de fuentes keithley 2400 (para pruebas de características I - v).

3. preparación de dispositivos

3.1 preparación de soluciones de capa activa

Ptb7 - th y pc71bm se disolvieron en clorobenceno en una relación de masa de 1: 1,5, con una concentración total de 20 mg / ml, se agregó un aditivo dio con una proporción de volumen del 1%, se agitó magnéticamente a 60 ° C durante 12 horas y se obtuvo una solución de capa activa uniforme y estable.

3.2 preparación de la capa de transporte de agujeros

La película resultante fue recocida a 120 ° C durante 30 minutos y el espesor se controló en 40 ± 5 nm aplicando una solución pedot: pss a una velocidad de 3000 rpm y un tiempo de 60 segundos en el vidrio Ito tratado.

3.3 capa activa de tratamiento de impulsos eléctricos

El sustrato Ito / pedot: pss recubierto con solución de capa activa (estado de película húmeda) se transfiere rápidamente entre los Electrodos de placa paralela del electroperforador venezolano Gene pulse 630, ajustando el espaciamiento de los electrodos a 2 mm. se selecciona el esquema de preprograma de 'optimización de la interfaz del material' en modo de transfección de células de mamífero y se establecen Los parámetros del pulso: forma de onda de atenuación exponencial, el voltaje se ajusta de acuerdo con el grosor de la capa activa y las características del material (el voltaje inicial se establece en 50v), la duración del pulso es de 15 ms, el número de pulsos es de 3 veces y el intervalo de pulso es de 1 segundo. A través de una gran pantalla táctil de 10 pulgadas para monitorear la forma de onda del pulso en tiempo real y la dinámica de los parámetros, se garantiza que las condiciones de procesamiento sean consistentes cada vez. Durante el proceso de tratamiento, el instrumento realiza automáticamente la detección de Resistencia prepulsada, optimiza la salida del pulso de acuerdo con la conductividad eléctrica dinámica de la solución y evita que el arco dañe el material de base.

3.4 preparación de capas de transmisión electrónica y electrodos

La capa activa tratada con pulso eléctrico se seca naturalmente a temperatura ambiente durante 2 horas, formando una película delgada con un espesor de unos 100 nm. Posteriormente, la capa de transmisión electrónica liq (espesor 15 nm), ca (5 nm) y los cátodos al (100 nm) se evaporaron sucesivamente en la guantera, la tasa de evaporación se controló en 0,1 NM / S y el vacío se mantuvo por debajo de 1 × 10 ⁴ PA.

4. diseño experimental comparativo

Se establecieron dos grupos de experimentos controlados: el Grupo a es un dispositivo convencional que no ha sido procesado por impulsos eléctricos, y los pasos de perforación eléctrica se saltan durante el proceso de preparación, y el resto de las condiciones son consistentes; El Grupo B se procesa con un perforador eléctrico de pulso de Onda cuadrada tradicional (una marca), cuyos parámetros se fijan en 50V de tensión, 10ms de duración del pulso y pulso único, y se compara la influencia de diferentes tecnologías de pulso en el rendimiento del dispositivo.

5. resultados y debates

5.1 morfología de la capa activa y caracterización de la estructura de separación de fases

La estructura de la superficie y la Sección de la capa activa se observó a través de AFM y sem. La rugosidad de la superficie de la capa activa del dispositivo del Grupo a no tratado es de 12,5 nm, y la región de separación de fases muestra un Estado de dispersión irregular, con un tamaño promedio de grano de unos 50 nm, y hay aglomeración parcial. En el grupo experimental tratado con el weinid Gene pulse 630, la rugosidad de la superficie se redujo a 8,2 nm, la región de separación de fases se distribuyó uniformemente, formando una estructura de red interpersonal continua, el tamaño promedio del grano se refinó a 30 - 40 nm y el límite de la interfaz fue claro (figura 1). Aunque el tamaño del grano de la capa activa tratada con ondas cuadradas tradicionales en el Grupo B se ha reducido, la superficie se ha roto localmente y la uniformidad de la separación de fases no es tan buena como en el Grupo experimental, lo que indica que la forma de onda de atenuación exponencial tiene ventajas significativas para evitar daños materiales y promover La separación de fases uniforme.

Esta optimización morfológica se beneficia de la tecnología inteligente de regulación de ondas de Gene pulse 630. la onda de atenuación exponencial puede producir una orientación rápida de las moléculas inducida por un campo eléctrico de alta intensidad en la etapa inicial del pulso, y luego la intensidad del campo eléctrico disminuye gradualmente, proporcionando tiempo de amortiguación para la disposición ordenada de las moléculas y evitando defectos de película causados por el estrés excesivo. Por su parte, el esquema de "optimización de la interfaz del material" en la Biblioteca de optimización previa combina la función de detección previa de la resistencia, retroalimenta los cambios en la conductividad eléctrica de la solución de la capa activa en tiempo real, ajusta dinámicamente los parámetros del pulso y garantiza la consistencia del tratamiento de diferentes lotes de solución.

5.2 análisis de las características de absorción óptica y transmisión de carga eléctrica

El espectro de absorción ultravioleta - visible muestra que el coeficiente de absorción de luz de la capa activa del grupo experimental en el rango de 300 - 700 nm aumentó un 15% en comparación con el Grupo a, principalmente debido al refinamiento del grano y la optimización de la estructura de separación de fases, aumentando la ruta de absorción de luz y el área de acción efectiva. Las pruebas de corriente limitada de carga espacial (sclc) mostraron que la movilidad del agujero en el grupo experimental aumentó de 1,2 × 10 cm 2 / (v · s) al Grupo A a 2,8 × 10 cm 2 / (v · s), la movilidad electrónica aumentó de 1,5 × 10 cm 2 / (v · s) a 3,5 × 10 cm 2 / (v · s), y la eficiencia de transmisión mejoró significativamente.

Los resultados de la prueba de espectrometría de fluorescencia resuelta en el tiempo (trpl) mostraron que la vida útil de fluorescencia de la capa activa en el grupo experimental se redujo en un 30% en comparación con el Grupo a, lo que indica una mejora de la eficiencia de separación de radicales, lo que está estrechamente relacionado con la promoción de la transferencia de carga a la interfaz del receptor por el tratamiento de impulsos eléctricos. Por su parte, debido a que el Grupo B tiene un solo parámetro de pulso, el aumento de la movilidad de la carga es solo del 60% del Grupo experimental, lo que confirma aún más la importancia del control de parámetros multidimensionales Gene pulse 630 y el control inteligente de la forma de onda.

5.3 prueba de rendimiento fotoeléctrico del dispositivo

Las características I - V del dispositivo se prueban a través de un simulador solar, y los resultados se muestran en la tabla 1. La eficiencia de conversión fotoeléctrica (pce) de los dispositivos del grupo experimental alcanzó el 18,7%, un 23% más que el 15,2% del Grupo a, la densidad de corriente de cortocircuito (jsc) aumentó de 16,5 MA / CM cuadrado a 20,1 MA / CM cuadrado y el factor de llenado (ff) aumentó de 0,65 a 0,72. El PCE del dispositivo del Grupo B es del 16,8%, aunque es superior al Grupo a, es significativamente menor que el Grupo experimental, principalmente porque los defectos de interfaz causados por el tratamiento tradicional de ondas cuadradas afectan la eficiencia de la recolección de carga.

Un análisis más detallado reveló que el voltaje de circuito abierto (voc) del grupo experimental fue de 0,85 v, un ligero aumento en comparación con 0,83 V del Grupo a, gracias a la mejora de la disposición del nivel de energía provocada por la optimización de la orientación molecular de la capa activa. El aumento de FF refleja la disminución de la resistencia en serie y el aumento de la resistencia paralela en el interior del dispositivo, lo que indica que el procesamiento de impulsos eléctricos reduce efectivamente la recombinación de carga en la interfaz y optimiza la ruta de transmisión del portador.

5.4 ventajas tecnológicas y factores clave de influencia

Weinid Gene pulse 630 muestra tres ventajas centrales en la investigación: primero, la tecnología inteligente de regulación de ondas logra una inducción precisa de la morfología de la capa activa y evita posibles daños de película causados por pulsos de ondas cuadradas tradicionales; En segundo lugar, la Biblioteca de optimización previa y la función de detección previa de resistencia reducen considerablemente el ciclo de exploración de los parámetros experimentales y garantizan una alta repetibilidad de diferentes lotes de experimentos; En tercer lugar, el diseño del Circuito de protección de arco garantiza la seguridad del proceso de tratamiento y evita el daño de la interferencia de chispas eléctricas a la estructura molecular de la capa activa.

Durante el experimento, se encontró una sinergia entre los parámetros del pulso eléctrico (como voltaje, número de pulsos, intervalo) y la concentración de la solución de capa activa y el contenido del aditivo. Cuando el voltaje es demasiado alto o el número de pulsos es demasiado alto, puede causar una polarización excesiva de la capa activa, lo que reduce la eficiencia de transmisión de carga; Cuando la concentración de la solución es demasiado baja, el efecto de reorganización Molecular inducido por el pulso eléctrico no es obvio. 600 grupos de funciones de almacenamiento de protocolo personalizadas de Gene pulse 630 pueden preestablecer el mejor esquema de procesamiento para diferentes sistemas de materiales, lo que mejora en gran medida la eficiencia experimental.

6. perspectivas de aplicación

Preparación de dispositivos fotovoltaicos orgánicos de alto rendimiento

La tecnología de morfología de la capa activa regulada por impulsos eléctricos desarrollada se puede aplicar directamente a la preparación de células solares orgánicas flexibles a gran escala, combinada con el proceso de producción de rollo a rollo (r2r), y se espera lograr una producción industrial de bajo costo y alta eficiencia. La capacidad de procesamiento de alto rendimiento de weinide Gene pulse 630 (soporte para conectar sin problemas varios lotes de experimentos con interruptores de pedal) y la trazabilidad de parámetros proporcionan una garantía confiable para el control de calidad en el proceso de industrialización.

Modificación de nuevos materiales de capa funcional

Además de la capa activa, la tecnología se puede ampliar a la modificación de la superficie de la capa de transporte de agujeros / electrones, induciendo la disposición direccional de moléculas funcionales a través de pulsos eléctricos, optimizando la coincidencia de niveles de energía de la interfaz y reduciendo aún más la pérdida de energía del dispositivo. Por ejemplo, el tratamiento de pulso eléctrico en la superficie de la película delgada pedot: pss puede mejorar la consistencia de su función de trabajo y mejorar la eficiencia de extracción de agujeros.

Optimización de la interfaz de materiales entre campos

La aplicación exitosa de la tecnología de electroperforación en dispositivos electrónicos orgánicos proporciona nuevas ideas para la ingeniería de interfaz en células solares de perovskita, diodos orgánicos emisores de luz (oled) y otros campos. El sistema abierto de weinide Gene pulse 630 admite actualizaciones de software y hardware y puede ser compatible con las necesidades de procesamiento de materiales emergentes en el futuro, como la dispersión y el control de disposición de materiales de baja dimensión como puntos cuánticos y nanotubos de carbono.

Con su innovadora tecnología de forma de onda, control inteligente de parámetros y seguridad confiable, El medidor de perforación eléctrica de onda atenuada exponencial weinide Gene pulse 630 se ha convertido en una herramienta clave para la optimización de la interfaz de materiales y la preparación de convertidores de energía de alta eficiencia. En la actualidad, el equipo ha verificado su estabilidad y repetibilidad en más de mil laboratorios nacionales, y ofrece programas gratuitos de optimización de parámetros exclusivos del sistema de materiales y servicios de prueba de productos para ayudar a los investigadores científicos a romper el cuello de botella de la eficiencia de las células solares orgánicas y acelerar el proceso de industrialización de la Tecnología fotovoltaica.

Referencias

1. la tasa de conversión fotoeléctrica de las células solares orgánicas es récord [j]... maquinaria de precisión óptica. 2018, número 002

¡2. ¡ 15! La tasa de conversión fotoeléctrica de las células solares orgánicas en los Estados Unidos es récord [j]... Yunnan Electric Power technology. 2018, número 2

3. se han logrado avances en la investigación sobre la regulación y el destino del proceso de transformación del nitrógeno de fertilizantes en el suelo de las tierras agrícolas de suelo negro [j]... piensos de jiangxi. 2018, número 006

4. avances en la investigación sobre la mejora de la eficiencia de conversión fotoeléctrica de las células solares orgánicas por plasmones superficiales de nanoestructuras metálicas [j] Sha chunfang, Li heng, Yang xiao. Tecnología optoelectrónica. 2013, número 4

5. investigación sobre las propiedades fotoeléctricas de los electrodos transparentes sin indio de las células solares orgánicas [j] Zhong zhiyou, Gu jinhua, he xiang. Revista de la Universidad Central Sur para las nacionalidades (edición de Ciencias naturales). 2011, número 001