Onderzoekers hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt in de technologie van polymeerzonnecellen door een methode te ontwikkelen om zijketentechniek te gebruiken om moleculaire interacties te verbeteren. Deze aanpak elimineert de behoefte aan giftige gehalogeneerde procesoplosmiddelen, waardoor de efficiëntie en stabiliteit van de batterij wordt verbeterd. Deze studie benadrukt de voordelen van op oligoethyleenglycol (OEG) gebaseerde zijketens en markeert een belangrijke stap in de richting van groenere, efficiëntere zonnecellen die geschikter zijn voor draagbare apparaten.
Polymeerzonnecellen staan bekend om hun lichte gewicht en flexibiliteit, waardoor ze ideaal zijn voor draagbare apparaten. De giftige gehalogeneerde oplosmiddelen die nodig zijn bij het productieproces belemmeren echter het wijdverbreide gebruik ervan. Deze oplosmiddelen brengen milieu- en gezondheidsrisico's met zich mee die de aantrekkingskracht van deze zonnecellen beperken. Helaas missen minder giftige alternatieve oplosmiddelen dezelfde oplosbaarheid en vereisen daarom hogere temperaturen en langere verwerkingstijden.
Dit lage rendement belemmert de toepassing van polymere zonnecellen verder. Een ontwikkelde methode waarbij het gebruik van gehalogeneerde oplosmiddelen niet nodig is, zou de efficiëntie van organische zonnecellen aanzienlijk kunnen verhogen, waardoor ze geschikter worden voor draagbare technologie.
In een onlangs gepubliceerd artikel schetsen onderzoekers hoe zijketentechniek kan worden gebruikt om de moleculaire interacties tussen polymeerdonoren en kleine molecuulacceptoren te verbeteren, waardoor de behoefte aan gehalogeneerde procesoplosmiddelen wordt verminderd.
Het artikel is onlangs gepubliceerd in NanoResearch Energy.
"De gemengde morfologie van een polymeerdonor en een acceptor van kleine moleculen wordt sterk beïnvloed door hun moleculaire interacties, die kunnen worden bepaald door de grensvlakenergie tussen de donor- en acceptormaterialen. Wanneer hun oppervlaktespanningswaarden vergelijkbaar zijn, wordt verwacht dat de grensvlakenergie en moleculaire interacties tussen de donor en de acceptor gunstiger zullen zijn", zegt Yun-Hi Kim, professor aan de Gyeongsang National University in Zuid-Korea. "Om de hydrofiliciteit van polymeerdonoren te verbeteren en moleculaire dehybridisatie te verminderen, kan zijketentechniek een haalbare aanpak zijn."
De rol van zijketentechniek
Zijketentechniek omvat het toevoegen van een chemische groep, een zijketen genaamd, aan de hoofdketen van een molecuul. Chemische groepen in zijketens kunnen de eigenschappen van macromoleculen beïnvloeden. De onderzoekers speculeerden dat het toevoegen van op oligoethyleenglycol (OEG) gebaseerde zijketens de hydrofiliciteit van de polymeerdonor zou vergroten, dankzij de zuurstofatomen in de zijketens. Moleculen die hydrofiel zijn, worden aangetrokken door water.
Verschillen in de hydrofiliciteit van polymeerdonoren en acceptoren van kleine moleculen kunnen hun interacties beïnvloeden. Naarmate de hydrofiliciteit van de polymeerdonoren toeneemt en hun interacties met acceptoren van kleine moleculen verbeteren, kunnen niet-gehalogeneerde procesoplosmiddelen worden gebruikt zonder de prestaties van zonnecellen te beïnvloeden. In feite hadden polymere zonnecellen gemaakt met OEG-zijketens gehecht aan benzodithiofeenpolymeerdonoren een energieomzettingsrendement van 17,7%, hoger dan 15,6%.
Verbeter de efficiëntie en stabiliteit
Om de resultaten te vergelijken, ontwierpen de onderzoekers benzodithienylpolymeerdonoren met OEG-zijketens, koolwaterstofzijketens of 50% koolwaterstofzijketens en 50% OEG-zijketens. "Dit illustreert de impact van zijketentechniek op de hybride morfologie en prestaties van niet-gehalogeneerde, met oplosmiddelen verwerkte polymere zonnecellen", aldus Kim. "Onze resultaten laten zien dat polymeren met hydrofiele OEG-zijketens de mengbaarheid met acceptoren van kleine moleculen kunnen verbeteren en de energieomzettingsefficiëntie en apparaatstabiliteit van polymere zonnecellen tijdens niet-gehalogeneerde verwerking kunnen verbeteren."
Naast het verbeteren van de energieomzettingsefficiëntie, hebben polymere zonnecellen met OEG-zijketens ook een hogere thermische stabiliteit. Thermische stabiliteit is cruciaal voor het opschalen van polymere zonnecellen, dus verwarmden de onderzoekers ze tot 120 graden Celsius en vergeleken vervolgens de efficiëntie van de energieconversie. Na 120 uur verwarmen had het polymeer met koolwaterstofzijketens slechts 60% van zijn oorspronkelijke energieomzettingsrendement en vertoonde onregelmatigheden aan het oppervlak, terwijl het mengsel van koolwaterstoffen en OEG 84% van zijn oorspronkelijke energieomzettingsrendement behield.
"Onze bevindingen kunnen nuttige richtlijnen bieden voor het ontwerpen van polymeerdonoren om efficiënte en stabiele polymeerzonnecellen te produceren met behulp van niet-gehalogeneerde oplosmiddelverwerking, " zei Kim.
Referentie: Soodeok Seo, Jun-Young Park, Jin Su Park, Seungjin Lee, Do-Yeong Choi, Yun-Hi Kim en Bumjoon J. Kim publiceerden op 24 juli 2023 een artikel in "Nano Research Energy": "Hydrofiele zijketenpolymeerdonor maakt efficiënte, thermisch stabiele polymere zonnecellen mogelijk door behandeling met niet-gehalogeneerde oplosmiddelen."
doi:10.26599/nre.2023.9120088
Samengestelde bron: ScitechDaily