Imagine um futuro em que as telas dos nossos telefones, as fachadas dos edifícios e até mesmo as tendas possam facilmente gerar eletricidade,-um feito possível graças ao imenso potencial das células solares de polímero (PSCs). Em comparação com os painéis solares tradicionais-baseados em silício, os PSCs, com suas vantagens exclusivas de serem leves, flexíveis e soluções-imprimíveis para fabricação de dispositivos em grandes-áreas, tornaram-se uma estrela em ascensão no novo campo de energia. No entanto, o principal gargalo para alcançar a aplicação comercial reside na melhoria da eficiência de conversão fotoelétrica (PCE). Na última década, o PCE aumentou de cerca de 1% para mais de 11%, e uma das principais forças motrizes por trás disso é o projeto e a otimização de materiais fotovoltaicos poliméricos de alto-desempenho.
1. Do Politiofeno aos Copolímeros D-A
As primeiras pesquisas focaram em homopolímeros de politiofeno, como o P3HT, mas seu estreito espectro de absorção e alto nível de HOMO limitaram a eficiência. Os pesquisadores superaram essa limitação por meio do design molecular: por exemplo, a introdução de ramos conjugados bidimensionais, como o bistiofeno etileno, no politiofeno, não apenas ampliou o espectro de absorção, mas também reduziu o nível HOMO em aproximadamente 0,2 eV, melhorando significativamente a tensão do circuito aberto e a corrente de curto circuito do dispositivo, aumentando a eficiência de 2,41% para 3,18%. Outra estratégia é reduzir o número de cadeias alquílicas e introduzir grupos retiradores de elétrons, como grupos éster, que também podem efetivamente reduzir o nível de energia HOMO e melhorar significativamente Voc (por exemplo, PDGBT atinge 0,91 V) e eficiência (7,2%).
2. Benzoditiofeno (BDT)
O avanço verdadeiramente revolucionário veio da estrutura do copolímero alternado doador-aceitador (D-A). Dentre eles, a unidade benzoditiofeno (BDT) destacou-se pelo seu grande plano conjugado, alta mobilidade e fácil modificação estrutural. Em 2008, o pesquisador Hou Jianhui foi pioneiro no uso de BDT no projeto de polímero D-A no grupo de pesquisa de Yang. Posteriormente, a combinação de BDT e tiofeno[3,4-b]tiofeno (TT) tornou-se uma combinação de ouro para materiais de alto desempenho.
Para explorar ainda mais o potencial dos polímeros-como o BDT, ramificações-conjugadas bidimensionais e estratégias de fluoração podem ser adotadas:
A introdução de ramificações conjugadas bidimensionais na unidade BDT expande bastante a área conjugada de elétrons π-da molécula. Isto não só melhora as interações intermoleculares e as capacidades de transporte de carga, mas também modula eficazmente o espectro de absorção e o nível de energia molecular. Por exemplo, PBDTTT-C-T, PTB7-Th e, posteriormente, PBDT-TS1, que alcançaram avanços de eficiência de mais de 10%, todos se beneficiaram desse design.
A introdução seletiva de átomos de flúor-retratores de elétrons fortes nas cadeias laterais ou unidades aceitadoras de TT do BDT pode reduzir sinergicamente e significativamente o nível de energia HOMO do polímero, melhorando bastante a tensão-do circuito aberto do dispositivo. Do PBT-OF ao PBT-3F, à medida que o número de átomos de flúor aumenta, o Voc aumenta de 0,56 V para 0,78 V e a eficiência salta de 4,5% para 8,6%.
3. Controle Morfológico
O alto desempenho depende não apenas do material em si, mas também da microestrutura da heterojunção volumosa formada pela mistura doador/aceitador na camada ativa. A morfologia precisa estar correta: se a região de fase for muito grande, os excitons se recombinarão antes que possam se separar; se a região de fase for muito pequena, as cargas gratuitas também se recombinarão facilmente. Os pesquisadores exploraram duas abordagens para controlar misturas de polímeros:
Processamento de solvente verde: para evitar solventes halogenados tóxicos, os pesquisadores exploraram o uso de solventes verdes, como o-xileno e o-metilanisol (MA), combinados com aditivos específicos (como NMP), replicando com sucesso a excelente morfologia semelhante à dos sistemas de solventes halogenados e alcançando uma alta eficiência de quase 10%.
Otimização da estrutura molecular: Ao projetar para tornar a estrutura do polímero mais linear, aumentando a área conjugada ou ajustando finamente as cadeias laterais de alquil, a cristalinidade e o empacotamento molecular do polímero podem ser controlados ativamente, obtendo assim morfologias de mistura ideais.
Como um componente importante da energia verde, os materiais fotovoltaicos poliméricos estão liderando a tendência de transformação de energia com suas propriedades e vantagens únicas. Com os contínuos avanços tecnológicos e a expansão do mercado, os materiais fotovoltaicos poliméricos demonstrarão perspectivas de aplicação ainda mais amplas e um enorme potencial de mercado no futuro. Esperemos que os materiais fotovoltaicos poliméricos tragam soluções energéticas mais limpas, mais eficientes e sustentáveis para a sociedade humana!
