Immagina un futuro in cui gli schermi dei nostri telefoni, le facciate degli edifici e persino le tende possano facilmente generare elettricità-un'impresa resa possibile dall'immenso potenziale delle celle solari polimeriche (PSC). Rispetto ai tradizionali pannelli solari a base di silicio-, i PSC, con i loro vantaggi unici di essere leggeri, flessibili e stampabili in soluzioni-per la fabbricazione di dispositivi su-grandi aree, sono diventati una stella nascente nel nuovo campo energetico. Tuttavia, il principale ostacolo al raggiungimento dell’applicazione commerciale risiede nel miglioramento dell’efficienza di conversione fotoelettrica (PCE). Negli ultimi dieci anni, il PCE è passato da circa l'1% a oltre l'11% e una delle principali forze trainanti di tale crescita è la progettazione e l'ottimizzazione di materiali fotovoltaici polimerici ad alte-prestazioni.
1. Dal politiofene ai copolimeri D-A
Le prime ricerche si sono concentrate sugli omopolimeri di politiofene come P3HT, ma il loro spettro di assorbimento ristretto e l'elevato livello di HOMO limitavano l'efficienza. I ricercatori hanno superato questa limitazione attraverso la progettazione molecolare: ad esempio, l'introduzione di rami coniugati bidimensionali come il bistiofene etilene sul politiofene non solo ha ampliato lo spettro di assorbimento ma ha anche abbassato il livello HOMO di circa 0,2 eV, migliorando significativamente la tensione a circuito aperto-e la corrente di cortocircuito-del dispositivo, aumentando l'efficienza dal 2,41% al 3,18%. Un'altra strategia è ridurre il numero di catene alchiliche e introdurre gruppi elettronattrattori come i gruppi esterei, che possono anche abbassare efficacemente il livello di energia HOMO e migliorare significativamente Voc (ad esempio, PDGBT raggiunge 0,91 V) e efficienza (7,2%).
2. Benzoditiofene (BDT)
La svolta veramente rivoluzionaria è arrivata dalla struttura copolimerica alternata donatore-accettore (D-A). Tra questi, l'unità benzoditiofene (BDT) si è distinta per il suo ampio piano coniugato, l'elevata mobilità e la facile modifica strutturale. Nel 2008, il ricercatore Hou Jianhui ha aperto la strada all'uso del BDT nella progettazione dei polimeri D-A nel gruppo di ricerca di Yang. Successivamente, la combinazione di BDT e tiofene[3,4-b]tiofene (TT) è diventata un abbinamento d'oro per materiali ad alte prestazioni.
Per esplorare ulteriormente il potenziale dei polimeri simili al BDT-, è possibile adottare rami coniugati bidimensionali e strategie di fluorurazione:
L'introduzione di rami coniugati bi-dimensionali nell'unità BDT espande notevolmente l'area coniugata di elettroni π- della molecola. Ciò non solo migliora le interazioni intermolecolari e le capacità di trasporto di carica, ma modula anche efficacemente lo spettro di assorbimento e il livello di energia molecolare. Ad esempio, PBDTTT-C-T, PTB7-Th e successivamente PBDT-TS1, che hanno raggiunto miglioramenti in termini di efficienza di oltre il 10%, hanno tutti beneficiato di questo design.
L'introduzione selettiva di atomi di fluoro che attraggono fortemente elettroni-nelle catene laterali o nelle unità accettrici TT del BDT può ridurre in modo sinergico e significativo il livello di energia HOMO del polimero, migliorando così notevolmente la tensione a circuito aperto-del dispositivo. Da PBT-OF a PBT-3F, all'aumentare del numero di atomi di fluoro, Voc aumenta da 0,56 V a 0,78 V e l'efficienza passa dal 4,5% all'8,6%.
3. Controllo della morfologia
Le prestazioni elevate dipendono non solo dal materiale stesso, ma anche dalla microstruttura dell'eterogiunzione in massa formata dalla miscela donatore/accettore nello strato attivo. La morfologia deve essere giusta: se la regione di fase è troppo grande, gli eccitoni si ricombineranno prima di potersi separare; se la regione di fase è troppo piccola, anche le cariche libere si ricombineranno facilmente. I ricercatori hanno esplorato due approcci per controllare le miscele polimeriche:
Lavorazione con solventi ecologici: per evitare solventi alogenati tossici, i ricercatori hanno esplorato l'uso di solventi ecologici come o-xilene e o-metil anisolo (MA), combinati con additivi specifici (come NMP), replicando con successo l'eccellente morfologia simile a quella dei sistemi di solventi alogenati e ottenendo un'efficienza elevata di quasi il 10%.
Ottimizzazione della struttura molecolare: progettando per rendere la struttura polimerica più lineare, aumentando l'area coniugata o regolando con precisione le catene laterali alchiliche, la cristallinità e l'impaccamento molecolare del polimero possono essere controllati attivamente, ottenendo così morfologie di miscela ideali.
Essendo un componente importante dell'energia verde, i materiali fotovoltaici polimerici stanno guidando la tendenza della trasformazione energetica con le loro proprietà e vantaggi unici. Con i continui progressi tecnologici e l’espansione del mercato, i materiali fotovoltaici polimerici dimostreranno prospettive di applicazione ancora più ampie e un enorme potenziale di mercato in futuro. Attendiamo con ansia che i materiali fotovoltaici polimerici portino soluzioni energetiche più pulite, più efficienti e sostenibili alla società umana!
