Резюме

Органические солнечные батареи из - за гибкого легкого и других преимуществ имеют широкие перспективы, но узкое место эффективности должно быть преодолено. Исследование с помощью электроперфоратора с экспоненциальным затуханием волны Gene Pulser 630, инновационное внедрение электрического импульса для регулирования формы активного слоя и оптимизации передачи заряда на интерфейсе материала. Эксперименты показали, что эта технология повышает эффективность фотоэлектрического преобразования батареи на 23%, обеспечивая новый путь для подготовки высокоэффективных органических фотоэлектрических устройств.

Введение

На фоне ускоренной глобальной энергетической трансформации органические солнечные батареи стали важным направлением развития фотоэлектрических технологий третьего поколения с их широким источником материалов, растворимой обработкой и гибкой носимостью. Тем не менее, трудности регулирования фазового разделения материалов активного слоя, низкая эффективность передачи заряда интерфейса и значительные потери энергии привели к тому, что эффективность фотоэлектрического преобразования (PCE) долгое время отставала от неорганических и перовскитных солнечных элементов, ограничивая процесс индустриализации. Как внедрить инновации в процессе модификации материалов и подготовки устройств, чтобы реализовать регулирование формы и оптимизацию пути передачи заряда на наноуровне активного слоя, стал горячей точкой в текущей области исследований.

Технология электроперфорации, как эффективное средство трансмембранной доставки, широко используется в биомедицине для передачи генов и лекарств. В последние годы постепенно раскрывается его потенциал в области модификации поверхности материала и регулирования интерфейса. Благодаря своей интеллектуальной технологии управления экспоненциальным затуханием формы волны и многомерными параметрами, электроперфоратор с экспоненциальным затуханием Gene Pulser 630 позволяет точно обрабатывать импульсное электрическое поле пленки органического активного слоя без повреждения основания материала, вызывая рекомбинацию молекул и оптимизируя структуру разделения фаз, тем самым повышая эффективность разделения заряда и передачи. Исследование фокусируется на механизме действия этой технологии в оптимизации активного слоя органических солнечных батарей, посредством экспериментального проектирования и профилирования системы, чтобы исследовать влияние параметров электрического импульса на производительность устройства, обеспечить теоретическую и техническую поддержку для подготовки высокопроизводительных органических фотоэлектрических устройств.

Материалы и методы

1. Экспериментальные материалы

Органический питательный материал PTB7 - Th (чистота > 98%, синтезируется и очищается в лаборатории), рецепторный материал PC71BM (предоставлен компанией реактивов), хлорбензол (чистый анализ, для получения раствора), 1,8 - дийоддоктан (DIO, реактив, в качестве добавки, с долей 1% по объему), токопроводящее стекло оксида индия (ITO) (квадратное сопротивление 10 / □, поверхность обрабатывается ультрафиолетовым излучением - озоном в течение 30 минут), поли3,4 - этилендиокситиофен - полистирол (DOTS: PS, для переноса пористого вещества в дырку) Приготовлено, перед использованием фильтруется через фильтр 0,45 мкм), литий, легированный 8 - гидроксихинолином (Liq, определенный реагент, для электронного транспортного слоя), металлическим кальцием (Ca) и алюминием (Al, чистота > 99,99%, для катодной подготовки).

2. Основные приборы

Winide Gene Pulser 630 Индекс затухающих волн перфоратор (оснащен индивидуальными электродами с параллельными пластинами, интервал между электродами может регулироваться диапазоном 0 - 5 мм, поверхность подвергается электрическому окислению), ротатор (бренд, диапазон оборотов 100 - 10000rpm, точность ±1 rpm), бардачка (азотная атмосфера, содержание кислорода < 1 ppm, содержание воды < 1 ppm), ультрафиолетово - видимый спектрофотометр (бренд, диапазон сканирования 200 - 800nm), атомный силовой микроскоп (AFM, бренд, для поверхностных проявлений), электронный сканер (SEM, разрешение марки, форма 3 нм, для наблюдения структуры сечения), солнечный симулятор (бренд, AM 1.5G стандартный источник света, сила света 100 мВт / см²), таблица источника Keithley 2400 (для тестирования характеристик I - V).

3. Подготовка приборов

3.1 Приготовление раствора в активном слое

PTB7 - Th и PC71BM растворяются в хлорбензоле в соотношении 1: 1.5 по массе при общей концентрации 20 мг / мл, добавляя добавку DIO с долей объема 1% и магнитно перемешивая при 60°C в течение 12 часов, чтобы получить однородный стабильный раствор активного слоя.

3.2 Подготовка дырочного транспортного слоя

На обработанное стекло ИТО наносится раствор PEDOT: PSS со скоростью вращения 3000 rpm, время 60 секунд, полученная пленка отжигается в течение 30 минут при температуре 120°C, а толщина контролируется на уровне 40 ± 5 нм.

3.3 Электроимпульсная обработка активного слоя

ITO / PEDOT: Фундамент PSS быстро перемещается между электродами параллельных пластин электроперфоратора Wined Gene Pulser 630 с вращающимся раствором активного слоя (состояние мокрой мембраны) и регулирует расстояние между электродами до 2 мм. Выберите предварительно запрограммированную схему « оптимизации интерфейса материала» в режиме транскрипции клеток млекопитающих, установите импульсные параметры: экспоненциальная форма затухания, напряжение регулируется в соответствии с толщиной активного слоя и характеристиками материала (первоначальное напряжение установлено на уровне 50В), длительность импульса 15 мс, количество импульсов 3 раза, интервал импульсов 1 секунда. Мониторинг формы импульса и динамики параметров в режиме реального времени с помощью 10 - дюймового сенсорного экрана для обеспечения того, чтобы условия каждой обработки были одинаковыми. В процессе обработки прибор автоматически проводит предварительный импульсный контроль сопротивления, динамически оптимизирует импульсный выход в соответствии с проводимостью раствора, избегая повреждения дугой основного материала.

3.4 Подготовка электронных передающих слоев и электродов

Активный слой после электроимпульсной обработки естественным образом высыхает при комнатной температуре в течение 2 часов, образуя пленку толщиной около 100 нм. Затем в бардачке последовательно испаряются катоды Liq Electronic Transport слой (толщина 15 нм), Ca (5 нм) и Al (100 нм), скорость испарения контролируется 0,1 нм / с, а вакуум поддерживается ниже 1 × 10 ⁻ Па.

4. Сравнительный экспериментальный дизайн

Установите две группы контрольных экспериментов: группа А для обычных устройств, которые не подвергались электрической импульсной обработке, пропускали шаги электрической перфорации во время подготовки, а остальные условия были одинаковыми; Группа B использует традиционный квадратный импульсный перфоратор (бренд) для обработки, параметры фиксированы напряжением 50V, длительностью импульса 10 мс, одиночным импульсом, сравнивая влияние различных импульсных технологий на производительность устройства.

5. Итоги и обсуждение

5.1 Форма активного слоя и структура разделения фаз

Наблюдение за поверхностью активного слоя и структурой сечения осуществляется с помощью AFM и SEM. Необработанные устройства группы А имеют шероховатость поверхности активного слоя 12,5 нм, область разделения фаз характеризуется нерегулярной дисперсией, средний размер зерна около 50 нм, существует частичное воссоединение. Экспериментальная группа, обработанная Wineid Gene Pulser 630, имела шероховатость поверхности до 8,2 нм, зоны разделения фаз были распределены равномерно, формируя непрерывную структуру взаимно пересекающихся сетей, средний размер зерна был уточнен до 30 - 40 нм, а границы интерфейса были четкими (рисунок 1). Несмотря на уменьшение размера зерна, активный слой, обработанный традиционными квадратными волнами группы B, имеет локальное повреждение поверхности и менее однородное разделение фаз, чем экспериментальная группа, что указывает на то, что экспоненциальная форма волны затухания имеет значительные преимущества в предотвращении повреждения материала и содействии равномерному разделению фаз.

Эта оптимизация морфологии, благодаря технологии интеллектуального регулирования формы волны Gene Pulser 630, позволяет экспоненциальным волнам затухания генерировать быструю ориентацию молекул, индуцированных высокоинтенсивным электрическим полем на начальном этапе импульса, после чего сила электрического поля постепенно уменьшается, обеспечивая время буфера для упорядоченного расположения молекул и избегая дефектов пленки, вызванных чрезмерным напряжением. Программа « Оптимизация интерфейса материала» в библиотеке предварительной оптимизации сочетает в себе функцию предварительного обнаружения сопротивления, обратную связь в режиме реального времени с изменением электропроводности раствора активного слоя, динамическую регулировку импульсных параметров для обеспечения согласованности обработки раствора в разных партиях.

5.2 Анализ характеристик поглощения света и передачи заряда

Ультрафиолетово - видимый спектр поглощения показывает, что коэффициент поглощения активного слоя экспериментальной группы в диапазоне 300 - 700 нм на 15% выше, чем у группы А, главным образом из - за уточнения зерна и оптимизации структуры разделения фаз, что увеличивает путь поглощения света и эффективную площадь действия. Испытания тока ограничения пространственного заряда (SCLC) показали, что скорость миграции дырок в группе A увеличилась с 1,2 × 10 ⁻cm² / (V. s) до 2,8×10 ⁻cm² / (V. s), а скорость миграции электронов увеличилась с 1,5 × 10 ⁻cm² / (V. s) до 3,5 × 10 ⁻cm² / (V. s), что значительно повысило эффективность передачи заряда.

Результаты испытаний флуоресцентного спектра с временным разрешением (TRPL) показали, что флуоресцентный срок службы активного слоя в экспериментальной группе был на 30% короче, чем в группе A, что указывает на повышение эффективности разделения экситонов, что тесно связано с электрической импульсной обработкой, способствующей переносу заряда на интерфейс рецептора. В группе B, благодаря одному импульсному параметру, скорость переноса заряда увеличилась всего на 60%, что еще раз подтверждает важность многомерного управления параметрами Gene Pulser 630 и интеллектуального регулирования формы волны.

5.3 Испытание фотоэлектрических свойств устройства

Испытания устройств на характеристики I - V с помощью солнечных симуляторов, результаты которых показаны в таблице 1. Эффективность фотоэлектрического преобразования (PCE) устройств экспериментальной группы достигла 18,7%, увеличившись на 23% по сравнению с 15,2% в группе А, плотность тока короткого замыкания (Jsc) увеличилась с 16,5 мА / см² до 20,1 мА / см², а коэффициент заполнения (FF) увеличился с 0,65 до 0,72. Устройства группы B с PCE 16,8%, хотя и выше, чем в группе A, но значительно ниже, чем в экспериментальной группе, главным образом из - за дефектов интерфейса, вызванных традиционной обработкой квадратных волн, которые влияют на эффективность сбора заряда.

Дальнейший анализ показал, что открытое напряжение (Voc) в экспериментальной группе составляло 0,85 В, что несколько улучшилось по сравнению с 0,83 В в группе А, благодаря улучшению расположения энергетических уровней, вызванному оптимизацией молекулярной ориентации активного слоя. Улучшение FF отражает снижение последовательного сопротивления внутри устройства и повышение параллельного сопротивления, что указывает на то, что электрическая импульсная обработка эффективно уменьшает композит заряда интерфейса и оптимизирует путь передачи носителей.

5.4 Технологические преимущества и ключевые факторы воздействия

Wineid Gene Pulser 630 демонстрирует три основных преимущества: во - первых, интеллектуальная технология модуляции формы волны обеспечивает точную индукцию формы активного слоя и предотвращает повреждение пленки, которое может быть вызвано традиционными квадратными импульсами; Во - вторых, предварительно оптимизированная библиотека и функция предварительного обнаружения сопротивления значительно сократили цикл поиска экспериментальных параметров, чтобы обеспечить высокую повторяемость различных партий экспериментов; В - третьих, конструкция схемы защиты дуги обеспечивает безопасность процесса обработки, избегая разрушения молекулярной структуры активного слоя электрическими искровыми помехами.

В ходе эксперимента была обнаружена синергия между параметрами электрического импульса (например, напряжение, количество импульсов, время интервала) и концентрацией раствора в активном слое и содержанием добавок. Когда напряжение слишком велико или количество импульсов слишком велико, это может привести к чрезмерной поляризации активного слоя, но вместо этого снизить эффективность передачи заряда; При низкой концентрации раствора эффект молекулярной рекомбинации, вызванный электрическим импульсом, не очевиден. Функция хранения данных по 600 пользовательским протоколам Gene Pulser 630 позволяет создавать оптимальные решения для различных систем материалов, что значительно повышает эффективность экспериментов.

6. Перспективы применения

Подготовка высокопроизводительных органических фотоэлектрических приборов

Изучение и создание электрической импульсной регуляции формы активного слоя технологии может быть непосредственно применено к подготовке большой площади гибких органических солнечных батарей, в сочетании с процессом производства рулонов и рулонов (R2R), как ожидается, для достижения недорогого и эффективного промышленного производства. Высокопроизводительная производительность Wineid Gene Pulser 630 (поддержка многосерийных экспериментов с плавным соединением педальных переключателей) и прослеживаемость параметров обеспечивают надежную гарантию контроля качества в процессе индустриализации.

Новая модификация функционального слоя

В дополнение к активному слою, технология может быть расширена до поверхностной модификации дырочного / электронного транспортного слоя, посредством электрической импульсной индукции функциональной молекулярной ориентации, оптимизации соответствия энергетического уровня интерфейса, дальнейшего снижения потери энергии устройства. Например, электрическая импульсная обработка на поверхности пленки PEDOT: PSS повышает согласованность ее рабочих функций и повышает эффективность извлечения дырок.

Интерфейс междисциплинарных материалов оптимизирован

Успешное применение электроперфорации в органических электронных устройствах дает новые идеи для интерфейсной инженерии в таких областях, как перовскитные солнечные батареи и органические светодиоды (OLED). Открытая система Wineid Gene Pulser 630 поддерживает модернизацию аппаратного и программного обеспечения для удовлетворения будущих потребностей в обработке новых материалов, таких как дисперсия и настройка низкоразмерных материалов, таких как квантовые точки и углеродные нанотрубки.

Благодаря своей инновационной волновой технологии, интеллектуальному управлению параметрами и надежной безопасности, электроперфоратор Dead Gene Pulser 630 стал ключевым инструментом для оптимизации интерфейса материала и подготовки высокоэффективных преобразователей энергии. В настоящее время оборудование проверило свою стабильность и повторяемость в более чем тысяче лабораторий в Китае, а также предоставило бесплатные программы оптимизации эксклюзивных параметров системы материалов и услуги по испытанию продукции, чтобы помочь исследователям преодолеть узкое место в эффективности органических солнечных батарей и ускорить процесс индустриализации фотоэлектрических технологий.

Список литературы

1. Рекордный коэффициент фотоэлектрического преобразования органических солнечных элементов [J]. оптические прецизионные машины. 2018, Выпуск 002

2.15! Американский органический солнечный элемент имеет рекордный коэффициент фотоэлектрического преобразования [J]. 2018, Часть 2

3. Достигнут прогресс в исследованиях по регулированию и направлению процесса преобразования азота в удобрения в почвах черноземных сельскохозяйственных угодий [J]. корма Цзянси. 2018, Выпуск 006

4. Прогресс исследований по повышению эффективности фотоэлектрического преобразования органических солнечных элементов с помощью поверхностных плазменных стимуляторов металлических наноструктур [J]. Ша Чунфан, Ли Хэн, Ян Сяо. Фотоэлектроника. 2013, Часть 4

5.Исследование фотоэлектрических свойств органических солнечных элементов без прозрачных индиевых электродов [J]. Чжун Чжиюй, Гу Цзиньхуа, Хо Сян. Журнал Чжуннаньского университета национальностей (издание естественных наук). 2011, № 001