سلول‌های خورشیدی پلیمری ارگانیک در راه است

سلول‌های خورشیدی پلیمری، که به خاطر وزن سبک و انعطاف‌پذیری خود معروف هستند، گزینه‌های عالی برای استفاده در گچت‌های پوشیدنی محسوب می‌شوند. با این وجود، گسترش کاربرد آن‌ها به دلیل نیاز به استفاده از حلال‌های هالوژن‌دار مضر در فرایند تولید دچار محدودیت هایی است.

به گزارش تکناک، این حلال‌ها خطرات مرتبط با محیط زیست و سلامتی را به همراه دارند و جاذبه استفاده از این سلول‌های خورشیدی را کاهش می‌دهند. متأسفانه، حلال‌های جایگزین ، قابلیت حلالی مشابهی ندارند و نیاز به دماهای بیشتر و زمان‌های پردازش طولانی‌تر دارند.

این مشکل، پذیرش و استفاده گسترده‌تر از سلول‌های خورشیدی پلیمری را دشوارتر می‌کند. با این حال، توسعه‌ی یک روش جدید که نیاز به حلال‌های هالوژن‌دار را از بین ببرد، می‌تواند کارآمدی سلول‌های خورشیدی ارگانیک را به طور چشمگیری افزایش دهد و آنها را برای استفاده در فناوری‌های قابل پوشیدن بهتر سازد.

در یک مطالعه اخیر، دانشمندان شرح می‌دهند که چگونه بهبود تعاملات مولکولی بین دهنده‌های پلیمری و پذیرنده‌های مولکولی کوچک، با به کارگیری مهندسی زنجیره‌های جانبی، می‌تواند به کاهش نیاز به استفاده از حلال‌های هالوژن‌دار در فرآیندهای تولید کمک کند.

یون-هی کیم، یک استاد در دانشگاه ملی گیونگ سانگ کره جنوبی، تأکید می‌کند که مورفولوژی ترکیبی از دهنده‌های پلیمری و پذیرنده‌های مولکولی کوچک تحت تأثیر تعاملات مولکولی بین آن‌ها است، که این تعاملات می‌توانند توسط انرژی‌های پیوندی بین مواد دهنده و پذیرنده تعیین شوند.

وی می‌گوید که وقتی تنش‌های سطحی بین دهنده‌ها و پذیرنده‌ها مشابه باشند، انتظار می‌رود که انرژی‌های پیوندی و تعاملات مولکولی بهینه‌تر باشند. برای افزایش خاصیت هیدروفیلی دهنده‌های پلیمری و کاهش جداسازی مولکولی، مهندسی زنجیره‌های جانبی می‌تواند یک رویکرد موثر باشد.

مهندسی زنجیره‌های جانبی فرایندی است که در آن یک گروه شیمیایی خاص، شناخته شده به عنوان زنجیره جانبی، به زنجیره اصلی یک مولکول افزوده می‌شود. این گروه‌های شیمیایی در زنجیره‌های جانبی بر ویژگی‌های مولکول بزرگ‌تر تأثیر می‌گذارند. دانشمندان فرضیه‌ای را مطرح کرده‌اند که اضافه کردن زنجیره‌های جانبی مبتنی بر اولیگواتیلن گلیکول (OEG) می‌تواند خاصیت هیدروفیلی دهنده‌های پلیمری را افزایش دهد، زیرا اتم‌های اکسیژن موجود در این زنجیره‌های جانبی به آن‌ها کمک می‌کند تا جذب آب شوند.

مولکول‌های هیدروفیلی به آب جذب می‌شوند، به این معنی که آن‌ها قابلیت مخلوط شدن یا حل شدن در آب را دارند. این ویژگی می‌تواند به بهبود تعاملات مولکولی بین دهنده‌های پلیمری و پذیرنده‌های مولکول کوچک کمک کند، که نتیجه آن کاهش نیاز به استفاده از حلال‌های هالوژن‌دار در فرآیندهای تولید است.

تفاوت‌ها در خاصیت هیدروفیلی بین دهنده‌های پلیمری و پذیرنده‌های مولکول کوچک می‌تواند بر روی نحوه تعاملات آن‌ها تأثیر بگذارد. با افزایش هیدروفیلی دهنده‌های پلیمری و بهبود تعاملات بین آن‌ها و پذیرنده‌های مولکول کوچک، می‌توان از حلال‌های فرآیندی غیر هالوژن‌دار استفاده کرد بدون اینکه کارآمدی سلول‌های خورشیدی تحت تأثیر قرار گیرد.

در حقیقت، سلول‌های خورشیدی پلیمری که با استفاده از زنجیره‌های جانبی مبتنی بر OEG ساخته شده‌اند و به یک دهنده پلیمری مبتنی بر بنزودیتیوفن متصل شده‌اند، نشان داده‌اند که بازده تبدیل انرژی بالاتری دارند، به طور خاص ۱۷.۷٪ در مقایسه با ۱۵.۶٪. این پیشرفت نشان می‌دهد که بهبود تعاملات مولکولی و افزایش هیدروفیلی می‌تواند راهکاری موثر برای افزایش کارآمدی سلول‌های خورشیدی پلیمری باشد ضمن اینکه از نیاز به استفاده از حلال‌های هالوژن‌دار خطرناک خلاصی پیدا می‌کند.

کارآمدی و پایداری بیشتر

برای درک بهتر تأثیر مهندسی زنجیره‌ای جانبی بر عملکرد سلول‌های خورشیدی پلیمری، محققان به مقایسه پرداختند. آن‌ها دهنده‌های پلیمری مبتنی بر بنزودیتیوفن را با سه نوع مختلف از زنجیره‌های جانبی طراحی کردند: زنجیره‌های جانبی مبتنی بر اولیگواتیلن گلیکول (OEG)، زنجیره‌های جانبی هیدروکربنی، و زنجیره‌های جانبی ترکیبی که ۵۰٪ هیدروکربن و ۵۰٪ OEG بودند.

کیم در این باره اظهار داشت: “این تحقیق تأثیر مهندسی زنجیره‌ای جانبی را بر مورفولوژی ترکیب و عملکرد سلول‌های خورشیدی پلیمری که با استفاده از حلال‌های غیرهالوژن‌دار فرآوری شده‌اند، روشن می‌کند.” وی افزود: “یافته‌های ما نشان می‌دهند که پلیمرها با زنجیره‌های جانبی هیدروفیلیک OEG می‌توانند سازگاری با پذیرنده‌های مولکول کوچک را بهبود بخشیده و بازده تبدیل انرژی و ثبات دستگاه‌های سلول‌های خورشیدی پلیمری را در طول فرآیند فرآوری غیرهالوژن‌دار افزایش دهند.”

این یافته‌ها به وضوح نشان می‌دهند که انتخاب زنجیره‌های جانبی می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر کارآیی و پایداری سلول‌های خورشیدی داشته باشد.

علاوه بر افزایش بازده تبدیل انرژی، مشخص شد که سلول‌های خورشیدی پلیمری که دارای زنجیره‌های جانبی مبتنی بر OEG هستند، از ثبات حرارتی برتری برخوردارند. ثبات حرارتی یک عامل مهم برای گسترش استفاده از سلول‌های خورشیدی پلیمری است.

به همین دلیل، محققان این سلول‌ها را تا دمای ۱۲۰ درجه سلسیوس گرما دادند و سپس بازده تبدیل انرژی آن‌ها را مقایسه کردند. مشاهده شد که پس از ۱۲۰ ساعت گرما دادن، سلول‌هایی با زنجیره‌های جانبی هیدروکربنی تنها ۶۰٪ از بازده تبدیل انرژی اولیه خود را حفظ کرده و دچار ناهمواری‌هایی روی سطح شده بودند، در حالی که سلول‌های دارای ترکیب هیدروکربن و OEG توانستند ۸۴٪ از بازده انرژی اولیه خود را حفظ کنند.

کیم در این باره می‌گوید: “نتایج ما می‌تواند راهنمایی مفید برای طراحی دهنده‌های پلیمری ارائه دهد که سلول‌های خورشیدی پلیمری کارآمد و پایدار را با استفاده از فرآیند حلال‌های غیرهالوژن‌دار تولید می‌کنند.” این یافته‌ها نشان می‌دهند که انتخاب زنجیره‌های جانبی مناسب می‌تواند تأثیر بزرگی بر کارآمدی و طول عمر دستگاه‌های سلول‌های خورشیدی پلیمری داشته باشد.

این مقاله اخیراً در Nano Research Energy منتشر شده است.