Новый полимер может повысить производительность органических и перовскитных солнечных элементов — Naked Science
15 сентября
Сколтех

Новый полимер может повысить производительность органических и перовскитных солнечных элементов

4.4

Исследователи Сколтеха и их коллеги синтезировали новый сопряженный полимер для органической электроники с помощью двух различных химических реакций и для каждой продемонстрировали влияние параметров синтеза на характеристики полимера в органических и перовскитных солнечных элементах.

Вариант иллюстрации с обложки выпуска журнала Macromolecular Chemistry, в котором опубликовано исследование по синтезу полимеров для солнечных батарей. Рисунок автора исследования / ©Марина Теплякова / Сколтех

Статья с описанием результатов исследования опубликована в журнале Macromolecular Chemistry and Physics. Сегодня, когда весь мир стремится перейти на экологически чистые и возобновляемые источники энергии, в частности солнечную энергию, ученые активно работают над задачей повышения производительности солнечных элементов. Наиболее перспективными для этой цели технологиями считаются органические солнечные элементы, а также перовскитные элементы на основе галогенида свинца.

Эти две быстроразвивающиеся фотоэлектрические технологии открывают возможности для более экономичной и стабильной генерации солнечной энергии. Их основное преимущество по сравнению с коммерческими солнечными элементами на основе кристаллического кремния — низкая стоимость нанесения светочувствительного слоя из раствора. Такой подход не только удешевляет производство электроэнергии и упрощает его масштабирование за счет использования рулонной технологии, но и позволяет создавать устройства на гибких и эластичных поверхностях.

На сегодняшний день существует ряд факторов, препятствующих широкому внедрению этих технологий. Если говорить об органических солнечных батареях, по-прежнему ведется работа по повышению их эффективности, в основном за счет оптимизации состава светочувствительного слоя. Как правило, этот слой в них состоит из комбинации донорных и акцепторных компонентов, где функцию донора выполняет сопряженный полимер.

Что касается перовскитных солнечных батарей, их сертифицированные эффективности достигают 25,5 процентов, что делает их главным конкурентом коммерческим солнечным батареям на основе кристаллического кремния. Основным препятствием на пути к коммерциализации технологии остается низкая стабильность устройств. Недавние исследования показали, что для повышения стабильности устройства на светочувствительный перовскитный материал можно наносить защитный слой, обеспечивающий как селективную экстракцию носителей заряда, так и надежную защиту материала. Такую защитную функцию могут выполнять в том числе и сопряженные полимеры.

В обоих видах фотовольтаических устройств, использующих сопряженные полимеры, наилучшие эффективности будут достигнуты при условии обеспечения высокого качества полимеров. В частности, материал должен содержать малое количество дефектов, которые могут служить «ловушками зарядов». Высокого качества можно достичь за счет усовершенствования процесса синтеза материалов.

«Сопряженные полимеры можно использовать для различных целей, поэтому мы исследуем возможности оптимизации синтеза с целью улучшения качества материала, что в свою очередь позволит повысить производительность фотоэлектрических устройств. Наше исследование посвящено изучению определенного типа сопряженных полимеров, цепь которых содержит звено на основе изомера известного красителя индиго — изоиндиго.

Полученные результаты показывают, что из двух альтернативных методов синтеза материалов на основе изоиндиго — реакций Стилле и Сузуки — на заключительном этапе процесса лучше все-таки использовать реакцию Стилле», — рассказывает аспирант Сколтеха Марина Теплякова. Она и ее коллеги — первый проректор Сколтеха Кит Стивенсон и ученые из Института проблем химической физики РАН — синтезировали сопряженный полимер на основе изоиндиго, используя два метода синтеза, которые обычно применяют при производстве таких полимеров: реакции поликонденсации Стилле и Сузуки.

Сопряженные полимеры — это органические материалы, структуру которых образуют чередующиеся донорные и акцепторные компоненты. Эти компоненты называются мономерами и объединяются в полимерные цепи при помощи различных реакций полимеризации. Для этого в структуры мономеров, задействованных в реакциях полимеризации, вводят определенные функциональные группы, зависящие от типа используемой реакции. Чтобы изготовить полимеры, содержащие изоиндиго, обычно используют два метода синтеза, а именно реакции поликонденсации Стилле и Сузуки — обе они были рассмотрены в совместном исследовании группы ученых Сколтеха и ИПХФ РАН.

Помимо упомянутых выше различий в функциональных группах, эти две реакции требуют разных условий. Так, реакция поликонденсации Сузуки проходит в смеси двух несмешивающихся растворителей, воды и органического растворителя, в присутствии неорганического основания, а переход мономеров между жидкостями обеспечивается специальным веществом — катализатором фазового перехода. Реакция Стилле обычно протекает в одной фазе и при повышенных температурах. Кроме того, обе реакции требуют использования катализаторов на основе палладия.

«В ходе эксперимента мы определили, что в стандартных условиях поликонденсации Сузуки происходит разрушение мономера на основе изоиндиго, — поясняет Марина Теплякова. — Методом высокоэффективной жидкостной хроматографии мы установили, что в условиях двухфазной реакции с неорганическим основанием и катализатором межфазного переноса сигнал, соответствующий мономеру на основе изоиндиго, трансформируется в три отдельных сигнала, что указывает на необратимое разрушение исходного соединения. Мы подобрали условия протекания реакции, которые являются безопасными для материала и не приводят к его разрушению».

Высокоэффективная жидкостная хроматография — аналитический метод, позволяющий идентифицировать в смеси различные компоненты, прокачивая ее под давлением через колонку, заполненную адсорбирующим материалом. Каждое вещество, содержащееся в смеси, взаимодействует с адсорбентом по-разному и, следовательно, преодолевает высоту колонки за разное время. По этому времени и определяются компоненты смеси.

Следующим этапом исследования был синтез полимера на основе изоиндиго по реакциям Сузуки с оптимизированными условиями и Стилле. Было установлено, что полимеры, полученные двумя разными путями, имеют схожие молекулярные массы и оптоэлектронные свойства. Далее оба материала прошли испытания в органических солнечных батареях в качестве компонента фотоактивного слоя, а также в перовскитных солнечных батареях в качестве дырочно-транспортного слоя.

Органические и перовскитные солнечные батареи, содержащие полимер, полученный по реакции Стилле, показали более высокие эффективности: 15,1 и 4,1 процентов, соответственно. Те же устройства, содержащие полимер, синтезированный с помощью поликонденсации Сузуки, продемонстрировали эффективности 12,6 и 2,7 процентов.

Ученые предположили, что различие в характеристиках обусловлено наличием в материале, полученном с помощью реакции Сузуки, дефектов, которые могли послужить ловушками зарядов. Для подтверждения этого предположения оба материала были охарактеризованы методом электронного парамагнитного резонанса. Было обнаружено, что материал, полученный по реакции Сузуки, содержит в пять раз больше дефектов, что, вероятно, и привело к ухудшению характеристик фотовольтаических устройств.

Таким образом, было показано, что для полимеров на основе изоиндиго важен выбор синтетического пути, так как он может значительно повлиять на качество материала. В дальнейшем участники проекта планируют сравнить эффективности фотовольтаических устройств, содержащих полимеры различного строения, для установления связи между структурой полимера и производительностью устройства. Результаты этой работы позволят более рационально подойти к процессу дизайна полупроводниковых полимерных материалов для фотовольтаических устройств.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Позавчера, 19:09
Василий Парфенов

Недавно основанный стартап Success Rockets объявил о первых полноценных летных испытаниях своей суборбитальной ракеты Nebo 25. Запуск пройдет в ноябре, его цель — установить новый национальный рекорд по высоте полета среди частных компаний.

12 часов назад
Илья Ведмеденко

Одной из новинок международного авиационно-космического салона Airshow China 2021 станет разведывательно-ударный БПЛА CH-6. На показанных фотографиях его впервые можно рассмотреть детально.

Вчера, 12:04
Мария Азарова

Простой алгоритм действий, предложенный австралийским врачом и серфером, позволит избежать смертельных исходов, связанных с укусом акулы в область нижних конечностей.

22 сентября
Василий Парфенов

Современная Красная планета представляет собой суровую безжизненную пустыню, однако геологические данные показывают, что некогда воды там было едва ли не больше, чем на Земле. Причин, по которым Марс потерял почти все необходимые для развития жизни ресурсы, предлагалось немало. Но теперь ученые обнаружили надежную корреляцию между размерами небесного тела и его способностью удерживать летучие вещества.

20 сентября
Илья Ведмеденко

20 сентября, в 10:10 (мск), должен состояться запуск ракеты-носителя «Чанчжэн-7» с грузовым кораблем «Тяньчжоу». Старт проведут в рамках программы строительства новой орбитальной станции «Тяньгун».

20 сентября
Алиса Гаджиева

Археологи обнаружили крайне интригующее древнее то ли святилище, то ли гробницу в Йоркшире (Великобритания).

3 сентября
Алиса Гаджиева

Два бронзовых тарана и свинцовые пули обнаружили на месте битвы при Эгатских островах, состоявшейся почти 23 века назад.

11 сентября
Алиса Гаджиева

Необычное погребение обнаружили во время работ по устройству пруда в гольф-клубе.

15 сентября
Ольга Иванова

Американские исследователи выяснили, что в женских тампонах содержатся летучие органические соединения, которые влияют на присутствие этих веществ в моче. Интересно, что в прокладках их содержание значительно ниже.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: