Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der unsere Telefonbildschirme, Gebäudefassaden und sogar Zelte problemlos Strom erzeugen können-eine Leistung, die durch das immense Potenzial von Polymersolarzellen (PSCs) ermöglicht wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Solarmodulen auf Siliziumbasis haben sich PSCs mit ihren einzigartigen Vorteilen, dass sie leicht, flexibel und für die Herstellung großflächiger Geräte druckbar sind, zu einem aufstrebenden Stern im Bereich der neuen Energien entwickelt. Der größte Engpass auf dem Weg zu einer kommerziellen Anwendung liegt jedoch in der Verbesserung der photoelektrischen Umwandlungseffizienz (PCE). Im letzten Jahrzehnt ist der PCE-Wert von rund 1 % auf über 11 % gestiegen, und eine der wichtigsten treibenden Kräfte dahinter ist die Entwicklung und Optimierung hochleistungsfähiger Polymer-Photovoltaikmaterialien.
1. Von Polythiophen zu D-A-Copolymeren
Frühe Forschungen konzentrierten sich auf Polythiophen-Homopolymere wie P3HT, deren schmales Absorptionsspektrum und hohes HOMO-Niveau begrenzten jedoch die Effizienz. Forscher haben diese Einschränkung durch molekulares Design durchbrochen: Beispielsweise hat die Einführung zwei-dimensionaler konjugierter Verzweigungen wie Bisthiophen-Ethylen auf Polythiophen nicht nur das Absorptionsspektrum verbreitert, sondern auch den HOMO-Wert um etwa 0,2 eV gesenkt, wodurch die Leerlaufspannung und der Kurzschlussstrom des Geräts erheblich verbessert wurden, wodurch sich der Wirkungsgrad von 2,41 % auf 3,18 % erhöhte. Eine andere Strategie besteht darin, die Anzahl der Alkylketten zu reduzieren und elektronenziehende Gruppen wie Estergruppen einzuführen, die ebenfalls effektiv das HOMO-Energieniveau senken und Voc (z. B. PDGBT erreicht 0,91 V) und Effizienz (7,2 %) deutlich verbessern können.
2. Benzodithiophen (BDT)
Der wirklich revolutionäre Durchbruch gelang mit der alternierenden Donor-{0}}Akzeptor-(D-A)-Copolymerstruktur. Unter ihnen stach die Benzodithiopheneinheit (BDT) aufgrund ihrer großen konjugierten Ebene, ihrer hohen Mobilität und ihrer einfachen Strukturmodifikation hervor. Im Jahr 2008 leistete der Forscher Hou Jianhui in Yangs Forschungsgruppe Pionierarbeit bei der Verwendung von BDT im D-A-Polymerdesign. Anschließend wurde die Kombination von BDT und Thiophen[3,4-b]thiophen (TT) zu einem goldenen Paar für Hochleistungsmaterialien.
Um das Potenzial von BDT-ähnlichen Polymeren weiter zu erforschen, können zwei-dimensionale konjugierte Verzweigungen und Fluorierungsstrategien übernommen werden:
Durch die Einführung zwei-dimensionaler konjugierter Zweige in die BDT-Einheit wird der π-elektronenkonjugierte Bereich des Moleküls erheblich erweitert. Dies verbessert nicht nur intermolekulare Wechselwirkungen und Ladungstransportfähigkeiten, sondern moduliert auch effektiv das Absorptionsspektrum und das molekulare Energieniveau. Beispielsweise profitierten PBDTTT-C-T, PTB7-Th und später PBDT-TS1, die Effizienzdurchbrüche von über 10 % erzielten, alle von diesem Design.
Durch die selektive Einführung stark elektronenziehender Fluoratome in die Seitenketten oder TT-Akzeptoreinheiten von BDT kann das HOMO-Energieniveau des Polymers synergetisch und deutlich gesenkt werden, wodurch die Leerlaufspannung des Geräts erheblich verbessert wird. Von PBT-OF zu PBT-3F steigt Voc mit zunehmender Anzahl an Fluoratomen von 0,56 V auf 0,78 V und der Wirkungsgrad steigt von 4,5 % auf 8,6 %.
3. Morphologiekontrolle
Eine hohe Leistung hängt nicht nur vom Material selbst ab, sondern auch von der Mikrostruktur des Bulk-Heteroübergangs, der durch die Donor-/Akzeptormischung in der aktiven Schicht gebildet wird. Die Morphologie muss genau stimmen: Wenn der Phasenbereich zu groß ist, rekombinieren die Exzitonen, bevor sie sich trennen können; ist der Phasenbereich zu klein, rekombinieren auch freie Ladungen leicht. Forscher haben zwei Ansätze zur Kontrolle von Polymermischungen untersucht:
Verarbeitung grüner Lösungsmittel: Um giftige halogenierte Lösungsmittel zu vermeiden, untersuchten Forscher die Verwendung grüner Lösungsmittel wie o-Xylol und o-Methylanisol (MA) in Kombination mit spezifischen Additiven (wie NMP), wodurch die hervorragende Morphologie, die der von halogenierten Lösungsmittelsystemen ähnelt, erfolgreich reproduziert und eine hohe Effizienz von fast 10 % erreicht wurde.
Optimierung der Molekülstruktur: Durch eine linearere Gestaltung des Polymerrückgrats, eine Vergrößerung der konjugierten Fläche oder eine Feineinstellung der Alkylseitenketten können die Kristallinität und die molekulare Packung des Polymers aktiv gesteuert werden, wodurch ideale Mischungsmorphologien erzielt werden.
Als wichtiger Bestandteil grüner Energie sind polymere Photovoltaikmaterialien mit ihren einzigartigen Eigenschaften und Vorteilen führend im Trend der Energiewende. Durch kontinuierliche technologische Weiterentwicklung und Markterweiterung werden polymere Photovoltaikmaterialien in Zukunft noch breitere Anwendungsaussichten und ein enormes Marktpotenzial aufweisen. Freuen wir uns darauf, dass polymere Photovoltaikmaterialien der menschlichen Gesellschaft sauberere, effizientere und nachhaltigere Energielösungen bringen!
