有机光伏设备物联网应用程序

最近发表的一篇论文聚合物杂志回顾了最近的事态发展在π-conjugated聚合物和低聚物的有机光伏材料室内设备(IOPVs)物联网(物联网)应用程序。

研究:室内光伏能源收集基于半导体π-conjugated聚合物和低聚物的材料对未来物联网的应用程序。亚博网站下载图片来源:nevodka / Shutterstock.com

背景

IOPVs,室内光环境下发电,最近获得了显著的关注环保的现代物联网实现自我可持续能源和低功耗电子产品,如无线传感器。有机是从汤姆斯轻量级IOPVs拥有许多优势,其中包括在低温下批量生产的可行性,解决方案加工性能和灵活性。

有机是从汤姆斯IOPVs也合适的能源矿车,专门在室内照明环境中,由于有机半导体的光吸收率高、光谱的可调性。最近,IOPVs取得了超过25%的能量转化效率与几十几百μW (PCE)厘米⁻²输出功率密度,足够的权力不同IoT-compatible低功耗电子产品。

在本文中,作者回顾了低聚物的材料和π-conjugated IOPVs聚合物的最新进展。

最近的进步IOPVs

设计合适的有机半导体材料发展的高效IOPVs中扮演着关键角色。亚博网站下载的IOPV光敏层通常由电子受体和供体材料,而混杂形成散装异质结(BHJ)纳米结构。亚博网站下载

厚0.1μm BHJ层IOPVs执行每一个主要功能,包括电荷传输、电荷分离、光吸收。因此,受体和供体材料的成分和选择可以严重影响IOPV性能。亚博网站下载使用non-fullerene受体(nfa)可以显著扩大IOPVs受体和捐赠者的组合和选择。

IOPVs可以分为四组基于亲水的光敏层组合。这些包括小分子(SM) donor-fullerene受体双星系统,聚合物donor-fullerene受体二进制系统、三元和四元系统,和聚合物donor-NFA二进制系统。

聚合物Donor-Fullerene受体双星系统

最初polymer-fullerene BHJ系统组成的regioregular保利(3-hexylthiophene) (P3HT),半导体聚合物和可溶性富勒烯衍生品,如[6 6]-phenyl-C71-butyric酸甲基酯(PC_71年BM)和(6,6)-phenyl-C61-butyric酸甲基酯(PC_61年BM)。然而,这些系统有低开路电压(V_OC)和四氯乙烯,这需要进一步改变供体和受体材料改善四氯乙烯和V亚博网站下载_OC。

在所有polymer-fullerene双星系统开发直到现在,保利((5、6 bis(2必经hexyldecyloxy)应承担的苯并[c](1、2、5)应承担的一种新型润滑脂添加剂噻二唑衍生物4、7必经diyl)应承担的alt量(5,50量(2、5列车difluoro高1 4苯)应承担的bis地理(地理thiophen 2 yl)] (PDTBTBz检测2 f) donor-PC_71年BM受体系统显示最高的PCE, V_OC和输出功率密度为23.1%,0.82 V和64.8μW厘米⁻²分别在1000 lx发光二极管(LED)照明。

同样,聚[[6 7-difluoro [(2-hexyldecyl)氧]5 8-quinoxalinediyl) 2, 5-thiophenediyl]] (PTQ10) donor-PC_61年BM受体系统演示了PCE, V_OC和输出功率密度为19.9%,0.79 V和35.8μW厘米⁻²分别在500 lx LED照明。该系统还允许IOPV升级在大规模生产协议,包括转动打印。

其他polymer-fullerene系统显示高四氯乙烯,V_OC,输出功率密度包括聚(n - 9 -heptadecanyl-2 7-carbazole-alt-5 5 - (4 ', 7 ' -di-2-thienyl-2 ' 1 ', 3 ' -benzothiadiazole)] (PCDTBT) donor-PC_71年BM受体在300 lx 3000 K LED光源照明,聚[(2,6 - 4,8-bis (5 - (2-ethylhexyl-3-fluoro) thiophen-2-yl)苯并[1、2 b: 4、5 b '] dithiophene) alt - (5 5 - (1 ', 3 ' -di-2-thienyl-5 ', 7 ' bis (2-ethylhexyl)苯并[1 ',2 ' - c: 4 ', 5 ' - c '] dithiophene-4, 8-dione)] (PBDB-TF / PM6) donor-PC_71年BM受体在1000 lx 2700 K LED光源照明,和PCDTBT donor-PC_71年BM受体在300 lx日光灯照明(FL)。

SM Donor-Fullerene受体双星系统

SM donor-fullerene受体系统有几个优势聚合物系统,包括能级的可调性,批次的变化可以忽略不计,纯度高,单分散性和良好定义的分子结构。多个SM-donor-fullerene受体BHJ系统展示了特殊室内光伏特性。

例如,5、5 ' - [[4,8-bis [5 - (2-ethylhexyl) 4-hexyl-2-thienyl]苯并[1、2 b: 4、5 b '] dithiophene-2 6-diyl] bis(3 ', 3”十二烷(2,2:5,2“-terthiophene) 5”, 5-diyl)甲川]]bis (3-hexyl-2-thioxo-4-thiazolidinone) (BTR) donor-PC_71年BM受体系统展示了PCE, V_OC和输出功率密度为28.1%,0.79 V和78.2μW厘米⁻²分别在1000 lx FL照明。

同样,一个(P1) donor-PC porphyrin-based材料_71年BM受体双星系统显示PCE, V_OC,和输出功率密度为18.7%,0.74 V和14.5μW厘米⁻²分别在300 lx 3000 K LED光源照明。

聚合物Donor-NFA双星系统

尽管fullerene-based IOPVs取得了超过20%的PCE在过去的几年中,进一步改善pc的潜力是有限的由于有限的可见光吸收率和能级富勒烯受体的可调谐性,增加挑战增加短路电流密度(J_SC)和V_OC。

nfa可以改善J_SC和V_OC由于他们的可调吸收率和能级。几种聚合物donor-NFA二进制系统展示了良好的光电性能。例如,PBDB-TF donor-a low-band-gap Y6-O受体系统显示PCE, V_OC和输出功率密度为30%,0.83 V, 110μW厘米⁻²分别在1200 lx 3000 K LED光源照明,和29.5%的PCE, 0.81 V V_OC和62.8μW厘米⁻²低于700 lx 3000 K LED光源照明。

同样,聚[(2,6 - 4,8-bis (5 - (2-ethylhexyl-3-fluoro) thiophen-2-yl)苯并[1、2 b: 4、5 b] dithiophene) -alt-5, 5 ' - (5, 8-bis (4 - (2-butyloctyl) thiophen-2-yl) dithieno[3 ', 2 ': 3、4、2”, 3”: 5、6]苯并[1,2 c][1、2、5])一种新型润滑脂添加剂噻二唑衍生物)(D18)捐赠者- FCC-Cl,一个acceptor-donor-acceptor (A-D-A)型NFA,系统展示了PCE 29.4%低于1000 lx 2600 K LED光源照明,和PBDB-TF donor-FCC-Cl受体系统显示有27.9%的PCE在1000 lx 2600 K LED光源照明。

三元和四元系统

添加第三个或第四个组件二进制光敏层来制备多组分的BHJ系统可以改善形态学,电荷传输性质,光吸收IOPV设备。三元系统包含两个捐助者/单承兑人或者单/两个受体,而四元系统是基于双重体/双受体。

聚[(2,6 - (4,8-bis (5 - (2-ethylhexyl) thiophen-2-yl)苯并[1、2 b: 4、5 b '] dithiophene) alt - (5 5 - (1 ', 3 ' -di-2-thienyl-5 ', 7 ' bis (2-ethylhexyl)苯并[1 ',2 ' - c: 4 ', 5 ' - c '] dithiophene-4, 8-dione)] (PBDB-T) donor-PC_71年BM: 3, 9-bis (2-methylene - (3 - (1, 1-dicyanomethylene) -indanone)) 5、5、11日11-tetrakis (5-hexylthienyl) -dithieno [2, 3 d: 2 ', 3 ' - d '] -s-indaceno [1、2 b: 5、6 b的]dithiophene (ITIC-Th)受体三元系统显示PCE, V_OC和输出功率密度为26.4%,0.72 V和73.9μW厘米⁻²分别在1000 lx LED照明。

同样,PM6:保利(4,8-bis (5 - (2-ethylhexyl) thiophen-2-yl)苯并[1、2 b; 4、5 b] dithiophene-2 6-diyl-alt - (4 - (2-ethylhexyl) 3-fluorothieno [3、4 b]噻吩-)2-carboxylate-2-6-diyl)] (PTB7-Th)捐赠者- PC_71年PCE BM: ITIC-Th受体四元系统演示了25%,0.77 V V_OC和74.9μW厘米⁻²输出功率密度低于1000 lx 3000 K LED光源照明。

IOPV模块的实际应用

几个先进的IOPV模块已经开发实际应用在室内的应用程序。其中,TPD-3F donor-3, 9-bis (2-methylene - ((3 - (1, 1-dicyanomethylene) 6、7-difluoro) -indanone)) 5、5、11日11-tetrakis (4-hexylphenyl) -dithieno [2, 3 d: 2 ', 3 ' - d '] -s-indaceno [1、2 b: 5、6 b '] dithiophene (IT-4F) acceptor-based IOPV设备20.4厘米²有效的活动区域展示了最高21.8%的PCE 3.21 V V_OC和818年μW输出功率密度低于1000 lx FL照明。

结论

尽管已经取得了重大进展IOPV技术的发展,需要更多的研究来解决一些现有的挑战,包括适当的有机半导体的设计与应用,允许良好的光谱匹配白色led作为入射光。此外,IOPVs必须评估在200 - 500 lx照明获得真正的室内光伏这些设备的性能。在未来,研究必须执行IOPV升级,模块化和集成将这些设备商业化。

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源

黄,S。Yasuda, t .室内光伏能源收集基于半导体π-conjugated聚合物和低聚物的材料对未来物联网的应用程序。亚博网站下载聚合物杂志2022年。https://www.nature.com/yabo214articles/s41428 - 022 - 00727 - 8

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