Forscher haben in der Polymersolarzellentechnologie erhebliche Fortschritte gemacht, indem sie eine Methode entwickelt haben, mit der Seitenkettentechnik zur Verbesserung molekularer Wechselwirkungen eingesetzt werden kann. Dieser Ansatz macht giftige halogenierte Verarbeitungslösungsmittel überflüssig und verbessert die Effizienz und Stabilität der Batterie. Diese Studie unterstreicht die Vorteile von Oligoethylenglykol (OEG)-basierten Seitenketten und markiert einen wichtigen Schritt hin zu umweltfreundlicheren, effizienteren Solarzellen, die besser für tragbare Geräte geeignet sind.
Polymersolarzellen sind für ihr geringes Gewicht und ihre Flexibilität bekannt und eignen sich daher ideal für tragbare Geräte. Allerdings erschweren die im Produktionsprozess benötigten giftigen halogenierten Lösungsmittel ihren breiten Einsatz. Diese Lösungsmittel stellen Umwelt- und Gesundheitsrisiken dar, die die Attraktivität dieser Solarzellen einschränken. Leider weisen weniger toxische alternative Lösungsmittel nicht die gleiche Löslichkeit auf und erfordern daher höhere Temperaturen und längere Verarbeitungszeiten.
Dieser geringe Wirkungsgrad erschwert den Einsatz von Polymersolarzellen zusätzlich. Eine entwickelte Methode, die ohne den Einsatz von halogenierten Lösungsmitteln auskommt, könnte die Effizienz organischer Solarzellen erheblich steigern und sie für tragbare Technologien besser geeignet machen.
In einem kürzlich veröffentlichten Artikel skizzieren Forscher, wie Seitenkettentechnik genutzt werden kann, um molekulare Wechselwirkungen zwischen Polymerdonoren und kleinen Molekülakzeptoren zu verbessern und so den Bedarf an halogenierten Verarbeitungslösungsmitteln zu reduzieren.
Das Papier wurde kürzlich in NanoResearch Energy veröffentlicht.
„Die gemischte Morphologie eines Polymerdonors und eines Kleinmolekülakzeptors wird stark von ihren molekularen Wechselwirkungen beeinflusst, die durch die Grenzflächenenergie zwischen den Donor- und Akzeptormaterialien bestimmt werden können. Wenn ihre Oberflächenspannungswerte ähnlich sind, ist zu erwarten, dass die Grenzflächenenergie und die molekularen Wechselwirkungen zwischen Donor und Akzeptor günstiger sind“, sagte Yun-Hi Kim, Professorin an der Gyeongsang National University in Südkorea. „Um die Hydrophilie von Polymerdonoren zu verbessern und die molekulare Dehybridisierung zu reduzieren, könnte Seitenketten-Engineering ein praktikabler Ansatz sein.“
Die Rolle des Side-Chain-Engineerings
Bei der Seitenkettentechnik wird der Hauptkette eines Moleküls eine chemische Gruppe, eine sogenannte Seitenkette, hinzugefügt. Chemische Gruppen in Seitenketten können die Eigenschaften von Makromolekülen beeinflussen. Die Forscher spekulierten, dass das Hinzufügen von Seitenketten auf Oligoethylenglykol (OEG)-Basis dank der Sauerstoffatome in den Seitenketten die Hydrophilie des Polymerdonors erhöhen würde. Hydrophile Moleküle werden von Wasser angezogen.
Unterschiede in der Hydrophilie von Polymerdonoren und Akzeptoren kleiner Moleküle können deren Wechselwirkungen beeinflussen. Da die Hydrophilie der Polymerdonoren zunimmt und sich ihre Wechselwirkungen mit kleinen Molekülakzeptoren verbessern, können nichthalogenierte Verarbeitungslösungsmittel verwendet werden, ohne die Leistung der Solarzellen zu beeinträchtigen. Tatsächlich hatten Polymersolarzellen, die mit an Benzodithiophen-Polymerspendern befestigten OEG-Seitenketten hergestellt wurden, einen Energieumwandlungswirkungsgrad von 17,7 %, mehr als 15,6 %.
Verbessern Sie Effizienz und Stabilität
Um die Ergebnisse zu vergleichen, entwickelten die Forscher Benzodithienyl-Polymerdonoren mit OEG-Seitenketten, Kohlenwasserstoff-Seitenketten oder 50 % Kohlenwasserstoff-Seitenketten und 50 % OEG-Seitenketten. „Dies verdeutlicht den Einfluss der Seitenkettentechnik auf die Hybridmorphologie und Leistung von nicht-halogenierten, lösungsmittelverarbeiteten Polymersolarzellen“, sagte Kim. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass Polymere mit hydrophilen OEG-Seitenketten die Mischbarkeit mit kleinen Molekülakzeptoren verbessern und die Leistungsumwandlungseffizienz und Gerätestabilität von Polymersolarzellen während der nichthalogenierten Verarbeitung verbessern können.“
Polymersolarzellen mit OEG-Seitenketten verbessern nicht nur die Effizienz der Energieumwandlung, sondern weisen auch eine höhere thermische Stabilität auf. Die thermische Stabilität ist für die Vergrößerung von Polymersolarzellen von entscheidender Bedeutung. Deshalb erhitzten die Forscher sie auf 120 Grad Celsius und verglichen dann die Effizienz der Energieumwandlung. Nach 120-stündigem Erhitzen hatte das Polymer mit Kohlenwasserstoff-Seitenketten nur 60 % seines ursprünglichen Wirkungsgrads bei der Energieumwandlung und zeigte Oberflächenunregelmäßigkeiten, während die Mischung aus Kohlenwasserstoffen und OEG 84 % seines ursprünglichen Wirkungsgrads beibehielt.
„Unsere Ergebnisse können nützliche Hinweise für die Entwicklung von Polymerspendern zur Herstellung effizienter und stabiler Polymersolarzellen mithilfe der Verarbeitung nicht-halogenierter Lösungsmittel liefern“, sagte Kim.
Referenz: Soodeok Seo, Jun-Young Park, Jin Su Park, Seungjin Lee, Do-Yeong Choi, Yun-Hi Kim und Bumjoon J. Kim veröffentlichten am 24. Juli 2023 in „Nano Research Energy“ einen Artikel: „Hydrophiler Seitenketten-Polymerdonor ermöglicht effiziente, thermisch stabile Polymersolarzellen durch Behandlung mit nichthalogenierten Lösungsmitteln.“
doi:10.26599/nre.2023.9120088
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily