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新研发的聚合物可以提高太阳能电池的性能表现

2021-09-19 08:53 · 稿源: cnbeta

Skoltech公司的研究人员和他们的同事使用两种不同的化学反应合成了一种用于有机电子的新共轭聚合物,并展示了这两种方法对其在有机和包晶石太阳能电池中的性能的影响。这篇论文发表在《大分子化学与物理》杂志上。

随着世界试图过渡到清洁和可再生能源,例如太阳能,科学家们正在努力使太阳能电池更有效地生产电力。在这些有希望的方法中,有两种快速发展的光伏技术,具有廉价的可持续太阳能发电的潜力:有机太阳能电池和铅卤化物过氧化物太阳能电池。

与基于晶体硅的商业太阳能电池相比,它们的主要优势在于从溶液中沉积光活性层的成本低,使能源生产更加便宜,另一方面简化了印刷技术和卷对卷制造的规模,并能在柔性和可拉伸的表面上制造设备。

然而,这些技术的广泛采用有几个障碍。首先,有机太阳能电池的效率仍有很长的路要走,这将需要调整光活性层的组成。在有机太阳能电池中,光到能量的转换发生在由供体和受体材料的混合物组成的光活性层中--供体通常是共轭聚合物。

至于过氧化物太阳能电池,它们已经达到了惊人的25.5%的认证效率纪录,但长期稳定性仍然是一个问题。最近的研究表明,通过用提供有效封装的电荷提取层覆盖光活性过氧化物材料,可以改善装置的稳定性。在其他材料中,这种保护功能可能由共轭聚合物来完成,这使得通过改进其合成来最大限度地提高其质量变得非常重要。

"共轭聚合物有各种重要的应用,促使我们研究如何优化其合成以提高其质量,这将带来光伏设备的更好性能。我们的研究重点是一种特殊类型的共轭聚合物,它在聚合物链中含有异吲哚单元。研究结果表明,在用于合成异吲哚基材料的两种合成途径中,斯蒂尔反应应优先于铃木反应,作为合成的最后一步,"斯科尔技术学院博士生Marina Tepliakova解释说。

Marina Tepliakova与Skoltech技术总监Keith Stevenson和他们来自RAS化学物理问题研究所的同事一起,合成了一种基于异靛蓝的共轭聚合物,这是一种众所周知的靛蓝染料的异构体。该团队采用了两种常用于生产基于异靛蓝的聚合物的合成途径:斯蒂尔反应和铃木缩聚反应。

共轭聚合物是有机材料,通常在其结构中含有交替的供体和受体单元,这就是为什么它们也被称为D-A-D-A-D材料。D和A单元被称为单体,通过各种聚合反应连接成聚合链,每一种反应都依赖于单体开始时带有某些额外的功能团。对于将异吲哚单元作为受体成分的聚合物,有两条合成路线,Skoltech-IPCP RAS团队的研究对这两条路线都进行了研究。

除了上面提到的官能团的区别,这两种合成途径在所需的反应条件方面也有所不同。例如,铃木缩聚工艺要求无机碱与两个单体一起存在于不相溶的液体混合物中:水和有机溶剂。单体在各相之间的转移是由被称为转移催化剂的特殊分子促成的。斯蒂尔反应通常发生在一个相中并在高温下进行。此外,这两个反应都需要钯基催化剂。

"我们的第一个观察结果是,铃木反应的标准条件与基于异吲哚的单体合成不兼容,"Marina Tepliakova评论说。"使用高效液相色谱法,我们观察到单体信号分解为一些副产品的三个不同信号,在标准铃木条件下具有不同的保留时间。这意味着基于异吲哚的单体正在发生不可逆的破坏。所以我们调整了反应条件,直到它们对材料无害为止"。

高效液相色谱法是一种分析技术,它通过在压力下将混合物泵入填充有吸附剂材料的柱子来识别其中的成分。由于混合物中的每一种化合物都以不同的方式与吸附剂发生作用,因此可以通过其独特的保留时间来识别,即它需要多长时间才能完成。

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