תארו לעצמכם עתיד שבו מסכי הטלפון שלנו, חזיתות הבניינים ואפילו האוהלים שלנו יכולים לייצר חשמל בקלות-, הישג שמתאפשר בזכות הפוטנציאל העצום של תאים סולאריים פולימריים (PSCs). בהשוואה לפאנלים סולאריים מסורתיים המבוססים על-סיליקון, PSCs, עם היתרונות הייחודיים שלהם של קל משקל, גמיש ופתרון-ניתנים להדפסה לייצור מכשירים-בשטחים גדולים, הפכו לכוכב עולה בתחום האנרגיה החדש. עם זאת, צוואר הבקבוק המרכזי להשגת יישום מסחרי טמון בשיפור יעילות ההמרה הפוטואלקטרית (PCE). בעשור האחרון, ה-PCE זינק מכ-1% ליותר מ-11%, ואחד הכוחות המניעים העיקריים מאחורי זה הוא התכנון והאופטימיזציה של חומרים פוטו-וולטאיים פולימריים בעלי ביצועים גבוהים-.
1. מפוליתיופן ל-D-קופולימרים
מחקר מוקדם התמקד בהופולימרים פוליתיופניים כגון P3HT, אך ספקטרום הספיגה הצר שלהם ורמת HOMO גבוהה הגבילו את היעילות. חוקרים פרצו את המגבלה הזו באמצעות תכנון מולקולרי: לדוגמה, החדרת ענפים מצומדים דו-מימדיים כמו ביסטיופאן אתילן על פוליתיופן לא רק הרחיבה את ספקטרום הספיגה אלא גם הורידה את רמת ה-HOMO בכ-0.2 eV, שיפרה משמעותית את יעילות המתח הפתוח{4} והקצר הזרם{5} של ההתקן{5}. 2.41% עד 3.18%. אסטרטגיה נוספת היא צמצום מספר שרשראות אלקיל והכנסת קבוצות גוזרות אלקטרונים- כגון קבוצות אסטר, אשר יכולות גם להוריד ביעילות את רמת האנרגיה של HOMO ולשפר משמעותית את ה-Voc (למשל, PDGBT מגיע ל-0.91 V) ואת היעילות (7.2%).
2. בנזודיתיופין (BDT)
פריצת הדרך המהפכנית באמת הגיעה ממבנה הקופולימר המתחלף-התורם (D-A). ביניהם, יחידת הבנזודיתיופין (BDT) בלטה הודות למישור המצומד הגדול, הניידות הגבוהה והשינוי המבני הקל שלה. בשנת 2008, החוקר Hou Jianhui היה חלוץ השימוש ב-BDT בעיצוב פולימרי D- בקבוצת המחקר של יאנג. לאחר מכן, השילוב של BDT עם thiophene[3,4-b]thiophene (TT) הפך לזיווג מוזהב לחומרים בעלי ביצועים גבוהים.
כדי להמשיך ולחקור את הפוטנציאל של BDT-כמו פולימרים, ניתן לאמץ ענפים מצומדים דו-ממדיים ואסטרטגיות הפלרה:
הכנסת ענפים מצומדים דו-מימדיים- ליחידת ה-BDT מרחיבה מאוד את השטח המצומד π-אלקטרון של המולקולה. זה לא רק משפר את האינטראקציות הבין-מולקולריות ואת יכולות הובלת המטען, אלא גם מווסת ביעילות את ספקטרום הספיגה ורמת האנרגיה המולקולרית. לדוגמה, PBDTTT-C-T, PTB7-Th, ומאוחר יותר PBDT-TS1, שהשיגו פריצות דרך ביעילות של למעלה מ-10%, כולם נהנו מהתכנון הזה.
הכנסה סלקטיבית חזקה של אטומי פלואור{{0} המושכים אלקטרון לשרשראות הצדדיות או ליחידות מקבלי TT של BDT יכולה להפחית באופן סינרגטי ומשמעותי את רמת האנרגיה HOMO של הפולימר, ובכך לשפר מאוד את מתח המעגל הפתוח- של המכשיר. מ-PBT-OF ל-PBT-3F, ככל שמספר אטומי הפלואור עולה, Voc עולה מ-0.56 V ל-0.78 V, והיעילות מזנקת מ-4.5% ל-8.6%.
3. בקרת מורפולוגיה
ביצועים גבוהים תלויים לא רק בחומר עצמו, אלא גם במבנה המיקרו של ההטרוג'נקציה בתפזורת הנוצר על ידי תערובת התורם/המקבל בשכבה הפעילה. המורפולוגיה צריכה להיות בדיוק נכונה: אם אזור הפאזה גדול מדי, אקסיטונים יתחברו מחדש לפני שהם יכולים להיפרד; אם אזור הפאזה קטן מדי, גם חיובים בחינם ישתלבו מחדש בקלות. חוקרים בחנו שתי גישות לבקרת תערובות פולימרים:
עיבוד ממס ירוק: כדי להימנע מממיסים הלוגנים רעילים, חוקרים בחנו את השימוש בממסים ירוקים כגון o-xylene ו-o-methyl anisole (MA), בשילוב עם תוספים ספציפיים (כגון NMP), והצליחו לשכפל את המורפולוגיה המצוינת הדומה לזו של מערכות ממסים הלוגניים והגיעו ליעילות גבוהה של כמעט 10%.
אופטימיזציה של מבנה מולקולרי: על ידי תכנון להפוך את עמוד השדרה של הפולימר ליותר ליניארי, הגדלת השטח המצומד, או התאמה עדינה של שרשראות הצד האלקיל, ניתן לשלוט באופן אקטיבי על הגבישיות והאריזה המולקולרית של הפולימר, ובכך להשיג מורפולוגיות תערובת אידיאליות.
כמרכיב חשוב באנרגיה ירוקה, חומרים פוטו-וולטאיים פולימריים מובילים את מגמת הטרנספורמציה של אנרגיה עם תכונותיהם ויתרונותיהם הייחודיים. עם התקדמות טכנולוגית מתמשכת והתרחבות השוק, חומרים פוטו-וולטאיים פולימריים יציגו סיכויי יישום רחבים עוד יותר ופוטנציאל שוק עצום בעתיד. הבה נצפה לחומרים פוטו-וולטאיים פולימריים שיביאו פתרונות אנרגיה נקיים, יעילים יותר וברי קיימא לחברה האנושית!
