Le celle solari polimeriche sono pannelli solari leggeri e flessibili che possono essere utilizzati per dispositivi indossabili. Tuttavia, i solventi tossici alogenati utilizzati durante la produzione di queste celle solari ne hanno limitato l'adozione diffusa.
Le alternative ai solventi di lavorazione alogenati non sono altrettanto solubili, quindi richiedono temperature più elevate e tempi di lavorazione più lunghi. Trovare un modo per eliminare la necessità di solventi di lavorazione alogenati potrebbe migliorare l'efficienza delle celle solari organiche e rendere le celle solari polimeriche un'opzione praticabile per i dispositivi indossabili.
In un articolo pubblicato su Nano Research Energy il 24 luglio, i ricercatori sottolineano come il miglioramento delle interazioni molecolari tra i donatori di polimeri e gli accettori di piccole molecole utilizzando l'ingegneria della catena laterale può ridurre la necessità di solventi di lavorazione alogenati.
"La morfologia della miscela dei donatori di polimeri e degli accettori di piccole molecole è fortemente influenzata dalle loro interazioni molecolari, che possono essere determinate dalle energie interfacciali tra i materiali donatori e accettori. Quando i loro valori di tensione superficiale sono simili, le energie interfacciali e le interazioni molecolari tra i donatori e si prevede che gli accettatori saranno più favorevoli", ha affermato Yun-Hi Kim, professore presso l'Università nazionale Gyeongsang di Jinju, nella Repubblica di Corea.
"Per migliorare l'idrofilia dei donatori polimerici e ridurre la demiscelazione molecolare, l'ingegneria della catena laterale può essere una strada plausibile."
L'ingegneria della catena laterale avviene quando un gruppo chimico, chiamato catena laterale, viene aggiunto alla catena principale di una molecola. I gruppi chimici nella catena laterale influenzano le proprietà della molecola più grande.
I ricercatori hanno teorizzato che l'aggiunta di catene laterali a base di glicole oligoetilene (OEG) migliorerebbe l'idrofilicità dei donatori polimerici grazie agli atomi di ossigeno nelle catene laterali. Una molecola con idrofilicità è attratta dall'acqua. Le differenze nell'idrofilicità dei donatori di polimeri e degli accettori di piccole molecole possono influire sul modo in cui interagiscono.
Grazie alla maggiore idrofilicità dei donatori polimerici e al miglioramento delle interazioni tra essi e gli accettori di piccole molecole, è possibile utilizzare solventi di lavorazione non alogenati senza sacrificare le prestazioni della cella solare. Infatti, le celle solari polimeriche realizzate con catene laterali a base di OEG collegate a un donatore di polimeri a base di benzoditiofene avevano un'efficienza di conversione di potenza più elevata pari al 17,7% rispetto al 15,6%.
Per confrontare i risultati, i ricercatori hanno progettato donatori di polimeri a base di benzoditiofene con una catena laterale OEG, catene laterali di idrocarburi o catene laterali costituite per il 50% da idrocarburi e per il 50% da OEG.
"Ciò ha chiarito l'effetto dell'ingegneria della catena laterale sulla morfologia della miscela e sulle prestazioni delle celle solari polimeriche non alogenate trattate con solvente", ha affermato Kim. "I nostri risultati dimostrano che i polimeri con catene laterali OEG idrofile possono migliorare la miscibilità con piccoli accettori di molecole e migliorare l'efficienza di conversione di potenza e la stabilità del dispositivo delle celle solari polimeriche durante la lavorazione non alogenata."
Oltre a una migliore efficienza di conversione della potenza, le celle solari polimeriche con catene laterali basate su OEG avevano una maggiore stabilità termica. La stabilità termica è essenziale per scalare le celle solari polimeriche, quindi i ricercatori le hanno riscaldate a 120° Celsius e poi hanno confrontato l’efficienza di conversione dell’energia. Dopo 120 ore di riscaldamento, i polimeri con le catene laterali di idrocarburi avevano solo il 60% dell'efficienza di conversione di potenza iniziale e presentavano irregolarità sulla superficie, mentre la miscela di idrocarburi e OEG conservava l'84% dell'efficienza di conversione di potenza iniziale.
"I nostri risultati possono fornire un'utile linea guida per la progettazione di donatori di polimeri che producono celle solari polimeriche efficienti e stabili utilizzando la lavorazione con solventi non alogenati", ha affermato Kim.
Altri contributori includono Soodeok Seo, Jin Su Park e Bumjoon J. Kim del Korea Advanced Institute of Science and Technology; Jun-Young Park e Do-Yeong Choi dell'Università Nazionale di Gyeongsang; e Seungjin Lee del Korea Research Institute of Chemical Technology.
Ulteriori informazioni: Soodeok Seo et al, Donatori di polimeri con catene laterali idrofile che consentono celle solari polimeriche efficienti e termicamente stabili mediante lavorazione con solventi non alogenati, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2022.9120088
Fornito dalla Tsinghua University Press
