Hãy tưởng tượng một tương lai nơi màn hình điện thoại, mặt tiền tòa nhà và thậm chí cả lều của chúng ta có thể dễ dàng tạo ra điện-một kỳ tích có thể thực hiện được nhờ tiềm năng to lớn của pin mặt trời polyme (PSC). So với các tấm pin mặt trời-làm từ silicon truyền thống, PSC với ưu điểm độc đáo là nhẹ, linh hoạt và là giải pháp-có thể in được để chế tạo thiết bị diện tích lớn-, đã trở thành ngôi sao đang lên trong lĩnh vực năng lượng mới. Tuy nhiên, nút thắt cốt lõi để đạt được ứng dụng thương mại nằm ở việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi quang điện (PCE). Trong thập kỷ qua, PCE đã tăng từ khoảng 1% lên hơn 11% và một trong những động lực chính thúc đẩy điều này là thiết kế và tối ưu hóa vật liệu quang điện polyme hiệu suất cao.
1. Từ Polythiophene đến D{1}}A Copolyme
Nghiên cứu ban đầu tập trung vào các chất đồng nhất polythiophene như P3HT, nhưng phổ hấp thụ hẹp và hiệu quả ở mức HOMO cao lại hạn chế. Các nhà nghiên cứu đã vượt qua giới hạn này thông qua thiết kế phân tử: ví dụ: đưa các nhánh liên hợp hai chiều như bisthiophene ethylene vào polythiophene không chỉ mở rộng phổ hấp thụ mà còn hạ mức HOMO xuống khoảng 0,2 eV, cải thiện đáng kể điện áp mạch hở và dòng điện ngắn mạch- của thiết bị, tăng hiệu suất từ 2,41% lên 3,18%. Một chiến lược khác là giảm số lượng chuỗi alkyl và đưa vào các nhóm hút electron-như nhóm este, điều này cũng có thể làm giảm mức năng lượng HOMO một cách hiệu quả và cải thiện đáng kể Voc (ví dụ: PDGBT đạt 0,91 V) và hiệu suất (7,2%).
2. Benzodithiophene (BDT)
Bước đột phá mang tính cách mạng thực sự đến từ cấu trúc copolyme xen kẽ chất cho-chấp (D-A). Trong số đó, đơn vị benzodithiophene (BDT) nổi bật nhờ mặt phẳng liên hợp lớn, tính di động cao và dễ dàng sửa đổi cấu trúc. Năm 2008, Nhà nghiên cứu Hou Jianhui đã đi tiên phong trong việc sử dụng BDT trong D-Một thiết kế polymer trong nhóm nghiên cứu của Yang. Sau đó, sự kết hợp giữa BDT và thiophene[3,4-b]thiophene (TT) đã trở thành cặp đôi vàng cho các vật liệu hiệu suất cao.
Để khám phá thêm tiềm năng của BDT-như polyme, các-nhánh liên hợp hai chiều và chiến lược fluor hóa có thể được áp dụng:
Việc đưa các nhánh liên hợp hai chiều-vào đơn vị BDT sẽ mở rộng đáng kể diện tích liên hợp electron π-của phân tử. Điều này không chỉ tăng cường tương tác giữa các phân tử và khả năng vận chuyển điện tích mà còn điều chỉnh hiệu quả phổ hấp thụ và mức năng lượng phân tử. Ví dụ: PBDTTT-C-T, PTB7-Th và sau này là PBDT-TS1, đã đạt được mức đột phá về hiệu suất trên 10%, tất cả đều được hưởng lợi từ thiết kế này.
Việc đưa một cách chọn lọc các nguyên tử flo rút-electron mạnh vào chuỗi bên hoặc đơn vị nhận TT của BDT có thể làm giảm đáng kể và hiệp đồng mức năng lượng HOMO của polyme, nhờ đó cải thiện đáng kể điện áp mạch hở-của thiết bị. Từ PBT-OF đến PBT-3F, khi số lượng nguyên tử flo tăng lên, Voc tăng từ 0,56 V lên 0,78 V và hiệu suất tăng từ 4,5% lên 8,6%.
3. Kiểm soát hình thái
Hiệu suất cao không chỉ phụ thuộc vào bản thân vật liệu mà còn phụ thuộc vào cấu trúc vi mô của tiếp xúc dị thể khối được hình thành bởi hỗn hợp chất cho/chất nhận trong lớp hoạt động. Hình thái cần phải vừa phải: nếu vùng pha quá lớn, các exiton sẽ kết hợp lại trước khi chúng có thể tách ra; nếu vùng pha quá nhỏ, các điện tích tự do cũng sẽ dễ dàng kết hợp lại. Các nhà nghiên cứu đã khám phá hai phương pháp để kiểm soát hỗn hợp polyme:
Xử lý dung môi xanh: Để tránh các dung môi halogen hóa độc hại, các nhà nghiên cứu đã khám phá việc sử dụng các dung môi xanh như o{0}}xylene và o-methyl anisole (MA), kết hợp với các chất phụ gia cụ thể (như NMP), tái tạo thành công hình thái tuyệt vời tương tự như hình thái của hệ dung môi halogen hóa và đạt hiệu suất cao gần 10%.
Tối ưu hóa cấu trúc phân tử: Bằng cách thiết kế để làm cho khung polyme tuyến tính hơn, tăng diện tích liên hợp hoặc điều chỉnh tinh vi các chuỗi bên alkyl, độ kết tinh và sự đóng gói phân tử của polyme có thể được kiểm soát một cách chủ động, từ đó thu được hình thái pha trộn lý tưởng.
Là một thành phần quan trọng của năng lượng xanh, vật liệu quang điện polymer đang dẫn đầu xu hướng chuyển đổi năng lượng với những đặc tính và ưu điểm riêng. Với những tiến bộ công nghệ không ngừng và mở rộng thị trường, vật liệu quang điện polymer sẽ cho thấy triển vọng ứng dụng rộng rãi hơn và tiềm năng thị trường to lớn trong tương lai. Chúng ta hãy cùng mong đợi vật liệu quang điện polyme mang lại các giải pháp năng lượng sạch hơn, hiệu quả hơn và bền vững hơn cho xã hội loài người!
