Tóm tắt

Các tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ có triển vọng rộng lớn do tính linh hoạt và trọng lượng nhẹ, nhưng nút thắt hiệu quả đang chờ đột phá. Nghiên cứu sử dụng máy đục lỗ sóng suy giảm theo cấp số nhân Venid Gene Pulse 630 để cải tiến việc điều chỉnh hình dạng lớp hoạt động xung điện, tối ưu hóa việc truyền tải điện tích giao diện vật liệu. Các thí nghiệm cho thấy công nghệ này làm tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin lên 23%, cung cấp một con đường mới để chuẩn bị các thiết bị quang điện hữu cơ hiệu quả cao.

Giới thiệu

Trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng toàn cầu đang tăng tốc, các tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ, với nguồn nguyên liệu rộng, xử lý dung dịch và khả năng đeo linh hoạt, đã trở thành hướng phát triển quan trọng của công nghệ quang điện thế hệ thứ ba. Tuy nhiên, những khó khăn trong điều khiển tách pha của vật liệu lớp hoạt động, hiệu quả truyền tải điện tích giao diện thấp và tổn thất năng lượng đáng kể, dẫn đến hiệu suất chuyển đổi quang điện (PCE) của nó tụt hậu lâu dài so với các tế bào năng lượng mặt trời vô cơ và perovskite, hạn chế quá trình công nghiệp hóa. Làm thế nào để cải tiến quy trình thông qua sửa đổi vật liệu và chuẩn bị thiết bị, để đạt được quy định hình thái nano lớp hoạt động và tối ưu hóa đường truyền điện tích, trở thành một điểm nóng nghiên cứu trong lĩnh vực hiện tại.

Công nghệ đục lỗ điện đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y sinh học như một phương tiện phân phối xuyên màng hiệu quả cao. Những năm gần đây, tiềm năng của nó về mặt sửa đổi bề mặt vật liệu và điều khiển giao diện dần được khai quật. Máy đục lỗ sóng suy giảm theo cấp số nhân Venid Gene Pulse 630 với hình dạng sóng suy giảm theo cấp số nhân thông minh và công nghệ điều khiển thông số đa chiều, có thể xử lý điện trường xung chính xác của màng lớp hoạt động hữu cơ mà không làm tổn thương cơ sở vật liệu, gây ra sự sắp xếp lại phân tử, tối ưu hóa cấu trúc tách pha, do đó nâng cao hiệu quả phân tách và truyền tải điện tích. Nghiên cứu tập trung vào cơ chế hoạt động của công nghệ trong tối ưu hóa lớp hoạt động của tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ, thông qua thiết kế thử nghiệm và phân tích đặc tính của hệ thống, khám phá quy luật ảnh hưởng của các thông số xung điện đối với hiệu suất của thiết bị, cung cấp hỗ trợ lý thuyết và kỹ thuật cho việc chuẩn bị các thiết bị quang điện hữu cơ hiệu suất cao.

Vật liệu&phương pháp

1. Vật liệu thí nghiệm

Vật liệu cho ăn hữu cơ PTB7-Th (độ tinh khiết>98%, được tổng hợp trong phòng thí nghiệm và tinh chế), vật liệu thụ thể PC71BM (được cung cấp bởi một công ty thuốc thử nhất định), chlorobenzene (phân tích tinh khiết, được sử dụng để pha chế dung dịch), 1,8-diiodooctane (DIO, một chất phụ gia, phân số thể tích 1%), oxit thiếc (ITO) kính dẫn điện (điện trở khối ≤10 Ω/, bề mặt được xử lý bằng tia cực tím-ozone trong 30 phút), poly 3,4-ethylene dioxythiophene-polystyrenesulfonic acid (PETOT: PSS, một thử nghiệm nhất định)Tác nhân, được sử dụng để chuẩn bị lớp vận chuyển lỗ, được lọc bằng màng lọc 0,45 μm trước), 8-hydroxyquinoline pha tạp lithium (Liq, một tác nhân nhất định, được sử dụng trong lớp vận chuyển điện tử), canxi kim loại (Ca) và nhôm (Al, độ tinh khiết>99,99%, để chuẩn bị cathode).

2. Dụng cụ chính

Máy đục lỗ sóng suy giảm chỉ số Venid Gene Pulse 630 (được trang bị điện cực tấm song song tùy chỉnh, phạm vi điều chỉnh khoảng cách giữa các điện cực 0-5mm, bề mặt được xử lý bằng oxy hóa dẫn điện), máy quay (một thương hiệu, phạm vi tốc độ 100-10.000 vòng/phút, độ chính xác ± 1 vòng/phút), hộp găng tay (bầu không khí nitơ, hàm lượng oxy<1 ppm, hàm lượng nước<1 ppm), máy quang phổ UV-Visible (một thương hiệu, phạm vi quét 200-800nm), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM, một thương hiệu, được sử dụng để mô tả hình dạng bề mặt), kính hiển vi điện tử quét (SEM, một thương hiệu nhất định)Độ phân giải 3nm để quan sát cấu trúc mặt cắt, mô phỏng năng lượng mặt trời (một thương hiệu, nguồn sáng tiêu chuẩn AM 1.5G, cường độ ánh sáng 100mW/cm²), bảng nguồn Keithley 2400 (để kiểm tra đặc tính I-V).

3. Chuẩn bị thiết bị

3.1 Chuẩn bị giải pháp lớp hoạt tính

Hòa tan PTB7-Th với PC71BM trong clo-benzen theo tỷ lệ khối lượng 1: 1,5, tổng nồng độ 20mg/mL, thêm phụ gia DIO với phân số thể tích 1%, khuấy từ tính ở 60 ° C trong 12 giờ để có được một giải pháp lớp hoạt động đồng nhất và ổn định.

3.2 Chuẩn bị lớp vận chuyển lỗ

Xoay dung dịch PEDOT: PSS trên kính ITO được xử lý với tốc độ 3000rpm, thời gian 60 giây, bộ phim thu được ủ trong 30 phút ở 120 ℃ và độ dày được kiểm soát ở 40 ± 5nm.

3.3 Lớp hoạt động xử lý xung điện

Chuyển nhanh cơ sở ITO/PEDOT của dung dịch lớp hoạt động (trạng thái màng ướt): PSS sang giữa các điện cực tấm song song của máy đục lỗ Gene Pulse 630 của Venid, điều chỉnh khoảng cách giữa các điện cực đến 2 mm. Chọn sơ đồ tiền lập trình'tối ưu hóa giao diện vật liệu'trong chế độ truyền tế bào động vật có vú, đặt các thông số xung: dạng sóng phân rã theo cấp số nhân, điện áp được điều chỉnh theo độ dày lớp hoạt động và đặc tính vật liệu (điện áp ban đầu được đặt thành 50V), thời gian xung 15ms, thời gian xung 3 lần, khoảng thời gian xung 1 giây. Thông qua màn hình cảm ứng lớn 10 inch để theo dõi động lực của dạng sóng xung và thông số trong thời gian thực, đảm bảo điều kiện xử lý phù hợp cho mỗi lần. Trong quá trình xử lý, thiết bị sẽ tự động phát hiện điện trở xung trước, tối ưu hóa năng động đầu ra xung theo độ dẫn của dung dịch, tránh hồ quang làm hỏng vật liệu cơ bản.

3.4 Lớp vận chuyển điện tử và chuẩn bị điện cực

Lớp hoạt động sau khi xử lý xung điện được sấy khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng trong 2 giờ, tạo thành một bộ phim dày khoảng 100nm. Lớp truyền tải điện tử Liq (độ dày 15nm), Ca (5nm) và Al (100nm) được hấp theo thứ tự trong hộp găng tay, tốc độ hấp được kiểm soát ở 0,1 nm/s và chân không được duy trì dưới 1 × 10 ⁻Pa.

4. Thiết kế thí nghiệm tương phản

Thiết lập hai bộ thí nghiệm có kiểm soát: nhóm A là thiết bị thông thường không được xử lý xung điện, bỏ qua bước thủng điện trong quá trình chuẩn bị và các điều kiện còn lại phù hợp; Nhóm B sử dụng máy đục lỗ xung sóng vuông truyền thống (một thương hiệu) để xử lý. Các thông số được cố định ở điện áp 50V, thời gian xung 10ms, xung đơn. So sánh ảnh hưởng của công nghệ xung khác nhau đối với hiệu suất của thiết bị.

5 Kết quả&Thảo luận

5.1 Mô tả cấu trúc lớp hoạt động và phân tách pha

Quan sát bề mặt lớp hoạt động và cấu trúc mặt cắt được thực hiện thông qua AFM và SEM. Độ nhám bề mặt của lớp hoạt động của các thiết bị nhóm A không được xử lý là 12,5nm, khu vực tách pha có trạng thái phân tán bất thường, kích thước hạt trung bình khoảng 50nm và hiện tượng đoàn tụ một phần. Nhóm thí nghiệm được xử lý bởi Venid Gene Pulse 630, độ nhám bề mặt giảm xuống 8,2 nm, phân bố đồng đều các khu vực tách pha, tạo thành một cấu trúc mạng liên tục, với kích thước hạt trung bình được tinh chỉnh đến 30-40 nm và ranh giới giao diện rõ ràng (Hình 1). Lớp hoạt động của xử lý sóng vuông truyền thống nhóm B Mặc dù kích thước hạt đã giảm, nhưng bề mặt đã bị hỏng cục bộ, tính đồng nhất của tách pha không bằng nhóm thí nghiệm, cho thấy dạng sóng suy giảm theo cấp số nhân có lợi thế đáng kể trong việc tránh thiệt hại vật liệu và thúc đẩy tách pha đồng nhất.

Tối ưu hóa hình dạng này được hưởng lợi từ công nghệ điều chỉnh dạng sóng thông minh của Gene Pulse 630, sóng phân rã theo cấp số nhân có khả năng tạo ra điện trường cường độ cao trong giai đoạn đầu của xung gây ra định hướng nhanh chóng của phân tử, sau đó giảm dần cường độ điện trường, cung cấp thời gian đệm cho các phân tử sắp xếp có trật tự và tránh khiếm khuyết màng do căng thẳng quá mức. Và chương trình "tối ưu hóa giao diện vật liệu" trong thư viện chương trình được tối ưu hóa trước, kết hợp chức năng phát hiện trước điện trở, phản hồi thời gian thực về sự thay đổi độ dẫn của dung dịch lớp hoạt động, điều chỉnh động các thông số xung để đảm bảo tính nhất quán của việc xử lý các giải pháp lô khác nhau.

5.2 Phân tích đặc tính hấp thụ ánh sáng và truyền tải điện tích

Quang phổ hấp thụ UV-Visible cho thấy hệ số hấp thụ ánh sáng của lớp hoạt động trong nhóm thí nghiệm trong phạm vi 300-700nm tăng 15% so với nhóm A, chủ yếu là do tối ưu hóa cấu trúc tinh chế hạt và tách pha, tăng đường hấp thụ ánh sáng và diện tích hoạt động hiệu quả. Thử nghiệm dòng điện giới hạn phí không gian (SCLC) cho thấy sự gia tăng di chuyển lỗ hổng của nhóm thí nghiệm từ 1,2 × 10 ⁻cm²/(V · s) lên 2,8 × 10 ⁻cm²/(V · s) và di chuyển điện tử từ 1,5 × 10 ⁻cm²/(V · s) lên 3,5 × 10 ⁻cm²/(V · s)(s), hiệu quả truyền tải phí được cải thiện đáng kể.

Kết quả thử nghiệm quang phổ huỳnh quang phân giải thời gian (TRPL) cho thấy tuổi thọ huỳnh quang của lớp hoạt động trong nhóm thí nghiệm giảm 30% so với nhóm A, cho thấy hiệu quả tách exciton tăng lên, liên quan chặt chẽ đến việc xử lý xung điện để thúc đẩy chuyển điện tích đến giao diện thụ thể. Trong khi nhóm B, do tham số xung duy nhất và biên độ di chuyển điện tích chỉ bằng 60% so với nhóm thử nghiệm, tiếp tục xác nhận tầm quan trọng của điều khiển tham số đa chiều Gene Pulse 630 và điều chỉnh dạng sóng thông minh.

5.3 Kiểm tra tính chất quang điện của thiết bị

Thiết bị được kiểm tra đặc tính I-V bằng mô phỏng năng lượng mặt trời và kết quả được thể hiện trong Bảng 1. Hiệu suất chuyển đổi quang điện (PCE) của các thiết bị trong nhóm thử nghiệm đạt 18,7%, tăng 23% so với 15,2% của nhóm A, mật độ dòng ngắn mạch (Jsc) tăng từ 16,5 mA/cm² lên 20,1 mA/cm² và hệ số làm đầy (FF) tăng từ 0,65 lên 0,72. PCE thiết bị nhóm B là 16,8%, mặc dù cao hơn nhóm A, nhưng thấp hơn đáng kể so với nhóm thử nghiệm, chủ yếu là do các khiếm khuyết giao diện do xử lý sóng vuông truyền thống ảnh hưởng đến hiệu quả thu phí.

Phân tích sâu hơn cho thấy điện áp mạch hở (Voc) của nhóm thí nghiệm là 0,85V, tăng nhẹ so với 0,83V của nhóm A, nhờ sự cải thiện sắp xếp mức năng lượng do tối ưu hóa định hướng phân tử của lớp hoạt động. Và việc nâng FF phản ánh việc giảm điện trở nối tiếp bên trong thiết bị và tăng điện trở song song, cho thấy rằng xử lý xung điện có hiệu quả làm giảm hợp chất điện tích giao diện và tối ưu hóa đường dẫn truyền tải của tàu sân bay.

5.4 Lợi thế kỹ thuật và các yếu tố ảnh hưởng chính

Venid Gene Pulse 630 cho thấy ba lợi ích cốt lõi trong nghiên cứu: Thứ nhất, công nghệ điều hòa dạng sóng thông minh cho phép cảm ứng chính xác các lớp hoạt động, tránh tổn thương màng mỏng do xung sóng vuông truyền thống có thể gây ra; Thứ hai, thư viện chương trình được tối ưu hóa trước và chức năng phát hiện trước điện trở rút ngắn đáng kể chu kỳ dò tìm thông số thí nghiệm, đảm bảo tính lặp lại cao của các thí nghiệm lô khác nhau; Thứ ba, thiết kế mạch bảo vệ hồ quang đảm bảo sự an toàn của quá trình xử lý, tránh nhiễu tia lửa điện phá hủy cấu trúc phân tử của lớp hoạt động.

Trong quá trình thí nghiệm, người ta đã phát hiện ra rằng có một tác dụng hiệp đồng giữa các thông số xung điện (chẳng hạn như điện áp, số xung, khoảng thời gian) và nồng độ dung dịch của lớp hoạt động, hàm lượng phụ gia. Khi điện áp quá cao hoặc quá nhiều xung, nó có thể dẫn đến sự phân cực quá mức của lớp hoạt động, thay vào đó làm giảm hiệu quả truyền tải điện tích; Và khi nồng độ dung dịch quá thấp, hiệu quả tái tổ hợp phân tử do xung điện gây ra không rõ ràng. 600 bộ lưu trữ giao thức tùy chỉnh của Gene Pulse 630 cho phép đặt trước các giải pháp xử lý tốt nhất cho các hệ thống vật liệu khác nhau, giúp cải thiện đáng kể hiệu quả thử nghiệm.

6. Triển vọng ứng dụng

Chuẩn bị thiết bị PV hữu cơ hiệu suất cao

Nghiên cứu và thiết lập công nghệ hình dạng lớp hoạt động điều chỉnh xung điện, có thể được áp dụng trực tiếp để chuẩn bị pin mặt trời hữu cơ linh hoạt trên diện tích lớn, kết hợp với quy trình sản xuất cuộn để cuộn (R2R), hứa hẹn sẽ đạt được sản xuất công nghiệp hóa chi phí thấp và hiệu quả cao. Khả năng xử lý thông lượng cao của Venid Gene Pulse 630 (hỗ trợ kết nối liền mạch các thí nghiệm nhiều lô) và truy xuất nguồn gốc thông số cung cấp sự đảm bảo đáng tin cậy cho việc kiểm soát chất lượng trong quá trình công nghiệp hóa.

Sửa đổi vật liệu lớp chức năng mới

Ngoài lớp hoạt động, công nghệ này có thể được mở rộng để sửa đổi bề mặt của lớp vận chuyển lỗ/điện tử, tạo ra sự sắp xếp định hướng phân tử chức năng thông qua xung điện, tối ưu hóa kết hợp mức năng lượng giao diện và giảm hơn nữa tổn thất năng lượng của thiết bị. Ví dụ, xử lý xung điện trên bề mặt màng PEDOT: PSS có thể cải thiện tính nhất quán của chức năng hoạt động và tăng cường hiệu quả khai thác lỗ.

Tối ưu hóa giao diện vật liệu đa miền

Việc áp dụng thành công công nghệ đục lỗ điện trong các thiết bị điện tử hữu cơ đã cung cấp những ý tưởng mới cho kỹ thuật giao diện trong các lĩnh vực như pin mặt trời perovskite, điốt phát quang hữu cơ (OLED). Hệ thống mở của Venid Gene Pulse 630 hỗ trợ nâng cấp phần mềm và phần cứng để tương thích với nhu cầu xử lý các vật liệu mới nổi trong tương lai như phân tán và sắp xếp các vật liệu có chiều thấp như chấm lượng tử và ống nano carbon.

Với công nghệ dạng sóng sáng tạo, kiểm soát thông số thông minh và độ an toàn đáng tin cậy, máy đục lỗ sóng suy giảm chỉ số Venid Gene Pulse 630 đã trở thành một công cụ quan trọng để tối ưu hóa giao diện vật liệu và chuẩn bị các thiết bị chuyển đổi năng lượng hiệu quả cao. Hiện nay, thiết bị đã được xác minh trong hơn một ngàn phòng thí nghiệm trong nước về sự ổn định và lặp lại của nó, và cung cấp các chương trình tối ưu hóa các thông số độc quyền của hệ thống vật liệu miễn phí và dịch vụ thử nghiệm sản phẩm, giúp các nhà nghiên cứu phá vỡ nút thắt hiệu quả của pin mặt trời hữu cơ và đẩy nhanh quá trình công nghiệp hóa công nghệ quang điện.

Tài liệu tham khảo

B5-05=giá trị thông số Kd, (cài 2) 2018, số 002

2. 15! Tỷ lệ chuyển đổi quang điện của các tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ của Hoa Kỳ đạt kỷ lục [J]. Công nghệ điện Vân Nam. 2018, Số 2

Ký hợp đồng cung cấp Phần mềm tính toán định lượng rủi ro ngoài khơi – Safeti Offshore cho Trung tâm nghiên cứu và phát triển An toàn và Môi trường Dầu khí (CPSE) ( 2018, số 006

4. kim loại nano cấu trúc bề mặt plasma kích thích để cải thiện hiệu quả chuyển đổi quang điện của các tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ [J]. Sha Chunfang, Li Heng, Yang Xiao. Công nghệ quang điện tử. 2013, kỳ 4

B5-05=giá trị thông số Kd, (cài 2) Học bổng du học của khối Pháp ngữ (Programme de Bourses d'Excellence de l'Ambassade de France au Vietnam) ( 2011, số 001