1. بررسی مرزی
سلول‌های خورشیدی آلی (OSC) به دلیل مزایای منحصر به فردشان از جمله قابلیت پردازش محلول، سازگاری با بسترهای انعطاف‌پذیر و مقیاس‌پذیری برای تولید در مناطق بزرگ، نامزدهای امیدوارکننده‌ای برای فناوری فتوولتائیک نسل بعدی در نظر گرفته می‌شوند. در سال‌های اخیر، پیشرفت‌ها در مواد گیرنده پلیمر و غیرفولرن پیشرفت قابل‌توجهی را به همراه داشته است و راندمان تبدیل توان (PCE) OSCهای سخت را به بیش از 20 درصد افزایش داده است. با این حال، کارایی OSC های انعطاف پذیر هنوز از OSC های سفت و سخت عقب است. برای درک کامل پتانسیل سلول های خورشیدی آلی در دستگاه های قابل حمل و پوشیدنی، توسعه OSC های انعطاف پذیر بر اساس بسترهای فوق نازک (ضخامت کل دستگاه کمتر از 10 میکرومتر) اهمیت ویژه ای پیدا کرده است. چنین دستگاه‌هایی دارای انعطاف‌پذیری مکانیکی عالی و اتصال منسجم هستند که به آنها اجازه می‌دهد تا بهتر با سناریوهای کاربردی پیچیده سازگار شوند. با این حال، دستیابی به راندمان بالا و پایداری مکانیکی قوی در OSC های انعطاف پذیر فوق نازک یک چالش اساسی است که برای استقرار عملی آنها در برنامه های کاربردی دنیای واقعی بسیار مهم است.
در حالی که کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا مبتنی بر SAM (HTL) به طور گسترده در دستگاه‌های صلب مورد مطالعه قرار گرفته است، توسعه HTLهای مبتنی بر SAM در OSCهای انعطاف‌پذیر تا حد زیادی ناشناخته باقی مانده است. قابلیت استخراج سوراخ در SAM به ضخامت لایه و پوشش سطح بسیار حساس است. تکنیک‌های رسوب‌گذاری فعلی اغلب منجر به تشکیل خوشه‌های بزرگ می‌شود که منجر به پوشش ضعیف سطح الکترود ITO می‌شود.
2. بررسی ادبیات نویسندگان یک استراتژی اصلاح ساده و موثر برای بهینه سازی مورفولوژی SAMها بر روی بسترهای انعطاف پذیر ایجاد کردند. با معرفی مولکول کوچک H-TPAc، توزیع یکنواخت و متراکم SAMها روی الکترودهای انعطاف پذیر با موفقیت به دست آمد. SAMهای اصلاح شده با H-TPAc به عنوان پلی بین الکترود ITO و لایه فعال عمل می کنند و نه تنها مورفولوژی لایه فعال را بهبود می بخشند، بلکه باعث سرکوب نوترکیب بار و ترویج جمع آوری بار می شوند. علاوه بر این، این اصلاح به طور قابل توجهی کارایی و پایداری مکانیکی را بهبود می بخشد. برای دستگاه های سفت و سخت سه تایی PM6:L8-BO:BTP-eC9، PCE دستگاه مبتنی بر SAM اصلاح نشده 19.0٪ بود، در حالی که PCE دستگاه مبتنی بر SAM اصلاح شده به 19.7٪ افزایش یافت. قابل‌توجه، دستگاه‌های انعطاف‌پذیر فوق نازک سه تایی که با استفاده از این استراتژی ساخته شده‌اند، به PCE چشمگیر ۱۷.۵ درصدی دست یافته‌اند. به طور همزمان، این دستگاه ها پایداری مکانیکی عالی را نشان دادند و به ترتیب 94% و 90% راندمان اولیه خود را پس از 2000 سیکل خمش و فشرده سازی کششی چرخه ای حفظ کردند. استراتژی‌های اصلاح SAM پتانسیل زیادی در توسعه مواد جدید HTL و بهینه‌سازی بیشتر عملکرد دستگاه دارند.
شکل 1. الف) ساختار مولکولی Br-2PACz. ب) ساختارهای مولکولی مواد مولکولی کوچک TCAc، TAAc، TPAc، و H-TPAc. ج) زوایای تماس ITO پوشش داده شده با SAM های مختلف. د) تصاویر میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) از ITO پوشیده شده با SAM های مختلف. ه) رسانایی HTL های مختلف. f) طیف سنجی فوتوالکترون فرابنفش (UPS) طیف ITO/SAM و ITO/m-SAM. ز) سطوح انرژی ITO، ITO/SAM، و ITO/M-AM.
زبری سطح ITO پوشش داده شده با اصلاح شده Br-2PACz SAM کاهش می یابد. Br-2PACz اصلاح شده با نمونه H-TPAc صاف ترین سطح را با RMS 2.44 نانومتر نشان می دهد. هدایت الکتریکی Br-2PACz به طور قابل توجهی از 1.53 × 10-3 S / m به 2.05 × 10-3 S / m پس از اصلاح H-TPAc افزایش یافت. انعطاف‌پذیری زنجیره بلند به مولکول‌ها اجازه می‌دهد تا جهت خود را روی بستر تنظیم کنند و در نتیجه از تشکیل خوشه‌های Br-2PACz جلوگیری کنند. علاوه بر این، معرفی پیوندهای هیدروژنی برهمکنش‌های مولکولی با Br-2PACz را بیشتر تقویت می‌کند و انباشتگی نامنظم را سرکوب می‌کند، در نتیجه به کمترین RMS می‌رسد.
شکل 2. تصاویر فعلی PF-TUNA از (الف) Br-2PACz SAM و (ب) اصلاح شده Br-2PACz SAM در ITO. (ج) الگوهای پراکندگی 2 بعدی GIWAXS Br-2PACz SAM و (د) Br-2PACz SAM اصلاح شده. (ه) منحنی های پراکندگی خط Br-2PACz SAM و اصلاح شده Br-2PACz SAM از الگوی GIWAXS دو بعدی.
فاصله انباشته شدن پایین نشان می دهد که m-SAM یک کپسولاسیون مولکولی محکم تری روی سطح ITO نشان می دهد. برهمکنش بین نصفه تیوفن در مولکول H-TPAc و نصف کاربازول در Br-2PACz پیوندهای کونژوگه π قوی تری را تشکیل می دهد، بنابراین به طور قابل توجهی انتقال بار را افزایش می دهد.
شکل 3. تصاویر AFM از ITO روی (الف) Br-2PACz SAM و (ب) اصلاح شده Br-2PACz SAM. 2D GIWAXS الگوهای پراکندگی فیلم هیبریدی PM6:L8-BO روی (ج) Br-2PACz SAM و (د) اصلاح شده Br-2PACz SAM. ه) منحنی های پراکندگی خط فیلم هیبریدی PM6:L8-BO که از الگوی 2 بعدی GIWAXS بریده شده است.
همانطور که در شکل های 3a و 3b نشان داده شده است، فیلم هیبریدی روی Br-2PACz SAM اصلاح شده، سطح صاف تری با RMS 1.09 نانومتر نشان می دهد. فیلم هیبریدی یک ساختار متمایز شبکه فیبری سه بعدی را نشان می دهد که تفکیک اکسایتون کارآمد را تسهیل می کند و کارایی انتقال بار را بهبود می بخشد. تجزیه و تحلیل کمی از انباشته π-π نشان می دهد که نظم ساختاری افزایش یافته در مخلوط سپرده در اصلاح شده Br-2PACz SAM.
شکل 4: ساختارهای شیمیایی PM6، L8-BO، و BTP-eC9. ب) منحنی های JV OSC صلب. ج) طیف EQE OSC صلب. د) آمار PCE OSC صلب بر اساس SAM های مختلف.
شکل 5. الف) ساختار دستگاه OSC بسیار نازک انعطاف پذیر. ب) عکس OSC بسیار نازک انعطاف پذیر. ج) منحنی JV OSC بسیار نازک انعطاف پذیر. د) طیف EQE OSC بسیار نازک انعطاف پذیر. ه) آمار PCE OSCهای انعطاف پذیر فوق نازک بر اساس SAM های مختلف. f) منحنی های JV OSC انعطاف پذیر فوق نازک قبل و بعد از فرآیند لایه برداری. g) اندازه گیری جریان نوری گذرا (TPC) OSC. h) اندازه گیری فوتوولتاژ گذرا (TPV) OSC. i) منحنی JV تاریک OSC انعطاف پذیر فوق نازک.
PCE OSC بسیار نازک انعطاف پذیر مبتنی بر m-SAM 17.5٪ است، به طور قابل توجهی بالاتر از OSC بسیار نازک انعطاف پذیر مبتنی بر SAM (16.7٪). OSC انعطاف پذیر فوق نازک مبتنی بر m-SAM EQE بالاتری را در ناحیه نور مرئی نشان می دهد (شکل 5d). هیستوگرام شمارش PCE OSC بسیار نازک انعطاف پذیر در شکل 5e نشان داده شده است. میانگین PCE OSC بسیار نازک انعطاف پذیر مبتنی بر m-SAM به 17.3٪ می رسد، در حالی که PCE OSC بسیار نازک انعطاف پذیر مبتنی بر SAM تنها 16.3٪ است. علاوه بر این، کاهش عملکرد OSC بسیار نازک منعطف مستقل پس از جدا شدن از زیرلایه شیشه ای پشتیبان ناچیز است (شکل 5f).
شکل 6. الف) تست فشاری-تنش چرخه ای OSC بسیار نازک انعطاف پذیر. تغییر نرمال شده (ب) ولتاژ مدار باز، (ج) ضریب پر، (د) جریان اتصال کوتاه، و (ه) کارایی در OSCهای بسیار نازک با نسبت تراکم متفاوت. f) کارایی عادی OSC انعطاف پذیر فوق نازک به عنوان تابعی از چرخه فشار-کشش. g) بازده عادی OSC انعطاف پذیر فوق نازک به عنوان تابعی از دوره خمش. h) پایداری ذخیره سازی OSC انعطاف پذیر فوق نازک در اتمسفر N2.
3. خلاصه ادبیات
به طور خلاصه، نویسندگان یک استراتژی ساده برای ساخت OSCهای انعطاف پذیر سخت و فوق نازک کارآمد با اصلاح Br-2PACz با مولکول کوچک H-TPAc ایجاد کردند، که یکنواختی و پوشش SAM ها را بر روی الکترودهای ITO بهبود می بخشد. با معرفی H-TPAc، آرایش منظم مولکول های Br-2PACz به طور قابل توجهی افزایش می یابد، در نتیجه انتقال بار بهینه می شود و به عنوان پلی برای تنظیم ریزساختار لایه فعال عمل می کند. برای دستگاه های سه تایی سفت و سخت PM6:L8-BO:BTP-eC9، PCE دستگاه مبتنی بر SAM اصلاح نشده 19.0٪ بود، در حالی که PCE دستگاه مبتنی بر SAM اصلاح شده به 19.7٪ افزایش یافت. دستگاه OSCs انعطاف پذیر فوق نازک سه تایی که با استفاده از استراتژی m-SAM ساخته شده است، بازده قابل توجهی 17.5٪ را به دست آورد و 94.0٪ از راندمان اولیه خود را پس از 2000 چرخه خمشی حفظ کرد. علاوه بر این، دستگاه همچنین 90٪ از PCE اصلی خود را پس از 2000 چرخه فشرده سازی-کشش حفظ کرد. این استراتژی نه تنها روشی امیدوارکننده برای بهبود کارایی و پایداری OSCها ارائه می‌کند، بلکه مسیر جدیدی را برای کاربرد دستگاه‌های انعطاف‌پذیر ارائه می‌دهد و راه را برای پیشرفت‌ها در نسل بعدی الکترونیک انعطاف‌پذیر هموار می‌کند.
نتایج تحقیقات مربوطه اخیراً در مجله مشهور بین المللی *Advanced Energy Materials* با عنوان "سلول های خورشیدی آلی انعطاف پذیر فوق نازک با کارایی بالا از طریق اصلاح تک لایه های خودآرایی" منتشر شده است.
کلمات کلیدی: سلول های خورشیدی آلی انعطاف پذیر فوق نازک، SAM، صلبیت سه تایی، خود مونتاژ، لایه انتقال سوراخ
