Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка новых материалов и формирование объемной гетерофазной структуры полностью полимерных солнечных батарей.

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
органическая солнечная батарея, полностью полимерная солнечная батарея, гибридная солнечная батарея, сенсибилизированная красителем, полимерная солнечная батарея с акцепторами на основе фуллеренов.

Цель проекта:
Проект направлен на оптимизацию производительности полностью полимерных солнечных элементов, которые будут созданы на основе сопряженных донор-акцепторных сополимеров и полимеров с модифицированными концевыми группами. Увеличение эффективности устройств будет достигнуто с помощью формирования заданной морфологии активного слоя, а также с помощью инжиниринга межфазной границы между донорными и акцепторными полимерными компонентами на молекулярном уровне. В работе будут решаться основные проблемы, препятствующие увеличению эффективности этих устройств для того, чтобы сделать возможным их промышленное внедрение и обеспечить конкурентоспособность по сравнению с солнечными батареями на кремниевой основе.

Основные планируемые результаты проекта:
В соответствии c заявленными целями, ожидаются следующие результаты работы:
- Будут исследованы фазовые диаграммы Д/А БСП с помощью рентгеновского рассеяния в малых и больших углах (SAXS и WAXS) при контролируемой температуре.
-Будут получены важные данные о температурном поведении конечных функциональных полимеров с помощью рентгеновского рассеяния в малых и больших углах при контролируемой температуре.
- Будет исследована морфология и ориентация Д/А БСП в тонких пленках в зависимости от химической структуры и методов приготовления.
- Полученные для тонких пленок результаты будут использоваться для получения активных слоев на основе конечных функциональных полимеров, а также будет исследована их структура и фотооптические свойсва.
-Будут изготовлены образцы полностью полимерных солнечных элементов для исследования влияния концевых групп на динамику носителей заряда и эффективность элемента.
-Будут получены данные о взаимосвязи между морфологией и оптоэлектронными свойствами активных слоев полностью полимерных солнечных батарей.
-Будут оптимизированы методики получения полностью полимерных солнечных батарей с заданной морфологией и структурой гетеропереходов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Мы сосредоточим внимание на общем понимании фазового поведения полностью- сопряженных БСП. С помощью рентгеновского рассеяния на просвет в малых и больших углах с контролируемой температурой будут получены важные данные о морфологии и формировании структуры БСП, которые будут разработаны в рамках проекта. В частности, будет изучена зависимость типа морфологии блок-сополимера от условий ее формирования (состава блок-сополимеров, температуры и т.д.). В дополнение к морфологии БСП, мы будем исследовать формирование частично-кристаллических и/ или жидкокристаллических структур в доменах БСП, образованных каждым из блоков. Эти процессы могут иметь сильное влияние на морфологию БСП, потому что переход жидкость-твердое тело может легко нарушить структуру БСП, что приводит, например, к так называемой «разрывной кристаллизации» (“breakout crystallization”). Основная причина такого поведения в том, что изменение свободной энергии, связанное с переходом жидкость-твердое тело, намного сильнее, чем вследствие микрофазного разделения при переходе жидкость-жидкость. В процессе изучения фазового поведения БСП особое внимание будет уделено возможности существования жидкокристаллических фаз (например, ламеллярных или колончатых фаз, образованных перилен диимидом), поскольку они могут быть использованы для эффективной ориентации структуры БСП, что позволит оптимизировать производительность солнечных батарей.
Синтезированные полимеры будут содержать на концах либо донорные, либо акцепторные группы. Будет специально исследовано влияние концевых групп на фазовое поведение таких БСП. Будет исследована морфология тонких пленок Д/А БСП, являющихся активными слоями органических солнечных батарей. С этой целью будут использованы методы рентгеновского рассеяния в скользящем пучке под малыми и большими углами (GISAXS и GIWAXS) для исследования тонких пленок Д/А БСП, нанесенных на различные подложки. Результаты будут сравниваться с данными, полученными в первом пункте для объемных образцов, для понимания влияния толщины пленки и природы подложки на морфологию. Как описано выше, для оптимизации производительности органических солнечных батарей ключевое значение имеет формирование доменов БСП с ориентацией, перпендикулярной к поверхности пленки. Ранее было показано, что гомеотропная ориентация жидкокристаллических доменов может быть достигнута путем изменения поверхностной энергии подложки и правильного выбранной термической истории образца. Используя полученные знания, мы будем систематически варьировать толщину слоя и условия получения образцов (растворитель, термическая история). Данные, полученные методами GISAXS и GIWAXS будут дополнены с помощью экспериментов по атомно-силовой, оптической и электронной микроскопии.
Известно, что морфология активных слоев играет решающую роль в функциональных свойствах солнечных батарей Используя метод рентгеновской дифракции в геометрии со скользящим пучком, будут получены данные о степени кристалличности, типах кристаллической или жидкокристаллической структуры, а также ориентации доменов относительно подложки. Будет установлена взаимосвязь между размерами кристаллов и их качеством с эффективностью конечных ПСБ.
Как указано выше, Д/А интерфейс в полимерных смесях имеет первостепенное значение для процессов генерации заряда и, как следствие, для повышения коэффициента полезного действия батарей. Предполагается, что использование NDIT2-PTQ1F или QT1F-PNDIT2 в качестве концевых групп функциональных полимеров позволит лучше контролировать процесс образования Д/А интерфейса благодаря ковалентной связи между блоками Д и А. Данная задача предусматривает не только изучение морфологии тонких пленок, но и их фотоэлектронных свойств. Будут измерены стандартные характеристики устройств, такие как вольт-амперные характеристики и коэффициент полезного действия. Для полимерных смесей контроль морфологии на наношкале является необходимым условием для высокой эффективности и долгосрочной стабильности элемента. В частности, размеры доменов донора и акцептора должны соотноситься с длиной диффузии экситонов (т.е. примерно 10 нм) и не должны увеличиваться при длительной эксплуатации устройства. Относительно низкая эффективность полностью полимерных солнечных элементов может быть связана с чрезмерно большими доменами и соответственно недостаточной площади поверхности раздела Д/А. Ожидается, что введение поверхностно-активных веществ приведет к снижению размеров доменов в обычных полимерных смесях. Новые полимерные смеси PTQ1F/PNDIT2, которые предполагается получить в рамках данного проекта, должны способствовать эффективной генерации зарядов. Использование данных молекул не только в качестве добавок, а также в качестве основных составляющих активного слоя, может также снизить затраты на производство солнечных элементов. В рамках данной задачи будут использованы как концевые группы функциональных гомополимеров, так и Д/А блок-сополимеры с дальнейшим их применением в качестве активного слоя в фотоэлектрических устройствах. Будет исследована морфология активного слоя. Для оптимизации устройств, будут проведены дополнительные измерения для проверки воздействия добавок на эффективность устройств и динамику носителей заряда.
Самосборка блок-сополимеров Д/А является инновационным подходом, который позволяет обеспечить полный контроль над размерами доменов Д/А. Использование тонких пленок из данных материалов в качестве однокомпонентных активных слоев приводит к высокой эффективности и стабильности фотоэлектронных устройств, при условии, что интерфейс Д/А позволяет эффективно генерировать заряды путем расщепления экситонов и что внутредоменная упаковка приводит к хорошему амбиполярному переносу заряда и его незначительной рекомбинации. Ключевая цель данной задачи – измерить оптоэлектронные свойства PNDIT2-PTQ1 и PPDIT2-PTQ1 и соотнести полученные результаты с исследованиями наноструктуры пленок. Амбиполярный перенос заряда через пленки будет исследован в полевых транзисторах. Измеренная подвижность носителей заряда позволит оценить степень молекулярной организации и анизотропии. Роль ориентации блок-сополимеров в процессе переноса заряда будет сравниваться для планарной и гомеотропной ориентации.
Результаты предыдущих задач позволят нам разработать моно-компонентные Д/А солнечные элементы с объемным гетеропереходом, при помощи самоорганизующихся блок-сополимерных пленок с наиболее подходящей наноструктурой и оптоэлектронными свойствами. Процедура разработки устройства будет оптимизирована с точки зрения толщин наноструктур и с учетом изменения оптоэлектронных свойств. Полученные данные о коэффициенте полезного действия и вольт-амперные характеристики как функций от интенсивности света позволят сделать выводы о главных факторах, ограничивающих производительность элементов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Новые технологии, разрабатываемые в проекте, позволят сократить издержки производства тонкопленочных фотоэлектрических панелей и повысить эффективность их работы. Ожидается, что производство подобных устройств станет коммерчески выгодным, и они станут конкурентоспособными по сравнению с традиционными устройствами на основе кремния. Развитие данных технологий очень важно в перспективе возрастания доли производства энергии из возобновляемых источников. В дальней перспективе это поможет уменьшить зависимость энергетики России от нефте- и газодобычи.
В России интерес к данным исследованиям могут проявить следующие компании: флагман российской наноиндустрии компания НТМДТ (Зеленоград), Plastic Logic (Зеленоград), ЦНИИ "Циклон", который уже выпускает микродисплеи на основе OLED, а также ООО "Хевел" - совместное предприятие Государственной корпорации "Российская корпорация нанотехнологий" (РОСНАНО) и Группы компаний "Ренова".
В качестве путей доведения до конечного потребителя разрабатываемой технологии могут применяться следующие способы: продажа или передача патента на технологию предприятию-изготовителю или продажа или предоставление лицензии на производство продукции по разрабатываемой технологии. Также следует проводить освещение разрабатываемой технологии на специализированных конференциях для
привлечения внимания потребителя.

Текущие результаты проекта:
Был проведен аналитический обзор информационных источников. По результатам полного анализа и обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы и научных информационных источников был сделан вывод об уникальности выбранных в проекте подходов. Анализ значительного количества современных литературных источников показывает, что в последние годы сделаны большие успехи в области создания органических, и, в частности, полностью полимерных солнечных батарей. Обсуждаются как преимущества, так и недостатки таких систем по сравнению с ОСБ на основе производных фуллерена в качестве акцептора. В этом случае процессы фазового разделения в ходе структурообразования могут приводить к формированию доменов значительного размера, часто заметно превышающих длину диффузии экситонов. Однако можно заметить, что, несмотря на очевидность влияния структуры ОГП на функциональные свойства солнечных батарей, только относительно небольшое количество работ освещает вопрос о механизмах структурообразования в таких активных слоях.
Было проведен анализ патентной чистоты исследуемой тематики. В ходе анализа патентов Российской федерации, Европейского Союза и Китая, а также международных заявок и патентов-аналогов было выявлено незначительное количество изобретений, описывающих органические солнечные батареи, пригодные промышленного производства. Предлагаемые в них способы контроля ОГП не обладают такой же простотой и эффективностью, как сформулированные в данном проекте. Таким образом, был сделан вывод, что ожидаемые в проекте результаты обладают патентной чистотой и не имеют аналогов, как в Российской Федерации, так и за рубежом.
Была проведена сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований. На основании анализа были выбраны как объекты исследований, так и экспериментальные методы для комплексного анализа структуры, морфологии, фотооптических свойств, а также эффективности и квантового выхода экспериментальных образцов полимерных солнечных батарей. Отмечается, что использование полностью полимерных солнечных батарей позволяет в лучшей степени контролировать наноморфологию активных слоев, особенно в том случае, когда доноры и акцепторы включены в состав одной полимерной цепи (например, в случае сопряженных донорно-акцепторных блок-сополимеров). Ковалентная связь между донорными и акцепторными группами исключит возможность появления фазово-разделенных доменов большого размера и, таким образом, может создать оптимальные условия для диффузии экситонов к фазовым границам. Кроме того, варьирование акцепторной группы поможет улучшить параметры оптического поглощения и, по-видимому, сможет решить проблемы, связанные с использованием фуллеренов. Показано, что комплексный экспериментальный подход позволит установить взаимосвязь между структурой ОГП и электронными свойствами активного слоя органических солнечных батарей на каждой стадии их получения.
Была разработана программа и методики проведения экспериментальных исследований исследований структуры и фотооптических свойств активных слоев органических солнечных батарей. Соответствие экспериментальных образцов полимерных солнечных батарей техническим характеристикам, указанным в ТЗ, планируется проводить, используя методы оптической и атомно-силовай микроскопии, рентгеноструктурного анализа, оптической фотометрии и методов измерения фототока и вольт-амперных характеристик.

Были получены активные слои гомополимеров и блок-сополимеров, содержащих электронные доноры и акцепторы, были проведены экспериментальные исследования структуры и фотооптических свойств активных слоев органических солнечных батарей на основе гомополимеров и блок-сополимеров, содержащих электронные доноры и акцепторы.
На основании результатов атомно-силовой микроскопии было установлено, что пленки, полученные методом спин-коатинга на скорости 2000 об/мин с последующим отжигом имеют оптимальную структуру для дальнейших исследований.
Было исследовано влияние способа приготовления тонких пленок, состоящие из компонентов, которые используются для приготовления полимер-полимерных солнечных батарей, на морфологию пленки с помощью комплекса экспериментальных методов. Дифракция рентгеновских лучей показывает образование ламеллярной фазы, как для блок-сополимера, так и для гомополимера. При этом, слои донора ориентированы параллельно подложке, тогда как слои акцептора формируются по нормали к поверхности пленки. Было обнаружено, что термический отжиг тонких пленок приводит к совершенствованию структуры блок-сополимера. Структура акцептора существенно не эволюционируют при 100 °С. Наиболее выраженный эффект отжига был обнаружен для гомополимера. Следует отметить, что для всех пленок отжиг улучшает организацию π-π стакинга, ориентированного нормально по отношению к подложке. Так как перенос носителей заряда происходит в направлении π-π стакинга, процесс отжига должен способствовать получению полимер-полимерных солнечных батарей с высокой эффективностью.
Были изготовлены экспериментальные образцы органических солнечных батарей на основе гомополимеров и блок-сополимеров. Проведенные испытания показали, что образцы полностью удовлетворяют требованиям, указанным в ТЗ. Для проверки стабильности и эффективности работы образцов батарей была разработана Программа и методика экспериментальных исследований, включающая в себя фото-электронные, электрические и структурные испытания.
В рамках привлечения средств Индустриального партнера были проведены модификация и усовершенствование уникального комплекса для комбинированного in situ рентгеноструктурного анализа одновременно в малых и больших углах дифракции, предназначенного для исследования формирования структуры и текстуры систем мягких сред в объеме и тонких пленках для улучшения качества детекции структурных параметров. В результате были созданы камера для in situ измерений тонких пленок с возможностью контроля температуры и влажности, вакуумная камера для устранения паразитного рассеяния, а также держатель для образцов тонких пленок на различных подложках, предназначенный для исследований в геометрии со скользящим пучком. Кроме того, разработаны методики использования данного оборудования в рамках реализации проекта. В результате, значительно расширены возможности уникального комплекса для рентгеноструктурного анализа “Xenocs WAXS/SAXS X-ray System”. Также были проведены работы по модификации и усовершенствованию комплекса, предназначенного для теплофизических измерений наносистем, включающих солнечные батареи. В результате, у исследователей появилась возможность проведения быстрых нагревов и охлаждений активных слоев, используя нанокалориметрические сенсоры.