مقدمه

فتوولتائیک یکپارچه در ساختمان (BIPV) به عنوان یک مسیر حیاتی برای انتقال انرژی پایدار شهری ظهور کرده است. در میان فناوری‌های مختلف، سلول‌های خورشیدی آلی نیمه‌شفاف (ST-OSC) به دلیل شکاف باند قابل تنظیم و نیمه‌شفافیت ذاتی، کاندیدای ایده‌آلی برای پنجره‌های خودتأمین هستند. با این حال، ST-OSCهای معمولی با یک گلوگاه بزرگ مواجه هستند: برای متعادل کردن شفافیت و کارایی، لایه فعال باید بسیار نازک (زیر 80 نانومتر) باقی بماند که چالش‌های جدی برای تولید صنعتی در مقیاس بزرگ ایجاد می‌کند. نوسانات کوچک ضخامت می‌تواند باعث افت شدید عملکرد شود و حفظ کارایی سلول به ماژول (CTM) برای ماژول‌های مساحت بزرگ معمولاً زیر 56% باقی می‌ماند.

یک پیشرفت اخیر منتشر شده در Nature Communications توسط تیم‌هایی از مرکز ملی علوم و فناوری نانو (NCNST) و همکاران به این مشکل دیرینه می‌پردازد. با ترکیب استراتژی رقیق‌سازی دهنده با پوشش‌دهی شکاف‌دار در شرایط حلال بدون هالوژن، محققان با موفقیت ST-OSCهایی با تحمل ضخامت قابل توجه ساختند. حتی با لایه فعال فوق‌ضخیم 301 نانومتری، دستگاه‌ها کارایی بالای استفاده از نور (LUE) را حفظ کردند و ماژول‌های 100 سانتی‌متر مربعی به نسبت CTM حدود 85% دست یافتند.

جهش عملکرد در کارایی استفاده از نور

در کاربردهای BIPV، سلول‌های نیمه‌شفاف مدت‌ها با یک معاوضه اساسی مواجه بوده‌اند: افزایش ضخامت لایه فعال جذب فوتون و کارایی تبدیل توان (PCE) را بهبود می‌بخشد، اما به طور قابل توجهی میانگین عبور نور مرئی (AVT) را کاهش می‌دهد. صنعت ST-OSCها را با استفاده از کارایی استفاده از نور (LUE = PCE × AVT) به عنوان معیار کلیدی ارزیابی می‌کند.

این مطالعه یک استراتژی رقیق‌سازی دهنده با نسبت D:A 1:3 را معرفی می‌کند که از ساختار شبکه فیبری مواد پذیرنده در شرایط پردازش خاص بهره می‌برد. این رویکرد امکان افزایش قابل توجه ضخامت لایه فعال را در عین حفظ شفافیت بالا فراهم می‌کند.

داده‌های مشاهده شده قابل توجه است. هنگامی که ضخامت لایه فعال از 119 نانومتر به 301 نانومتر افزایش یافت، سلول‌های مبتنی بر PM6:Qx-p-4Cl LUE 3.02% را حفظ کردند که نشان‌دهنده استحکام ضخامت استثنایی است. این یک نقطه دردناک بحرانی در پردازش مساحت بزرگ را حل می‌کند که در آن کنترل فیلم نازک به طور بدنام دشوار بوده است.

شکل 1 ساختارهای شیمیایی و طیف جذب سیستم PM6:Qx-p-4Cl، روند عملکرد در نسبت‌های مختلف D:A برای دستگاه‌های مات و نیمه‌شفاف را نشان می‌دهد و نشان می‌دهد که چگونه سیستم رقیق‌سازی شده دهنده از سیستم‌های معمولی در حفظ عبور و مزیت LUE در ضخامت‌های مختلف بهتر عمل می‌کند.

مکانیسم پشت تحمل ضخامت

چرا رویکرد رقیق‌سازی دهنده مشکل حساسیت به ضخامت را حل می‌کند؟ تیم تحقیقاتی از طریق مطالعات مورفولوژی و طیف‌سنجی فوق‌سریع تحقیقات کاملی انجام داد.

در مورد ویژگی‌های مورفولوژیکی، پوشش‌دهی شکاف‌دار در شرایط خاص تجمع ایده‌آل مولکول‌های پذیرنده را ترویج می‌کند و شبکه‌های فیبریل مانند نفوذی پیوسته تشکیل می‌دهد. این ساختار حمل و نقل بار صاف را حتی زمانی که محتوای دهنده بسیار کم است تضمین می‌کند.

برای دینامیک اکسایتون، اندازه‌گیری‌های تجربی نشان داد که پذیرنده Qx-p-4Cl دارای طول انتشار اکسایتون به طور قابل توجهی بلند حدود 22.34 نانومتر است. این تضمین می‌کند که اکسایتون‌ها می‌توانند به طور موثر به سطوح مشترک برسند و حتی در سیستم‌های ضخیم و رقیق تفکیک شوند.

تجزیه و تحلیل تولید بار از طریق طیف‌سنجی جذب گذرا (TA) تأیید کرد که سیستم تولید بار کارآمد و پایداری را در ضخامت‌ها و نسبت‌های مختلف حفظ می‌کند.

شکل 2 مشخصه‌یابی GIWAXS و AFM ساختار شبکه فیبریل را نشان می‌دهد، همراه با طیف جذب گذرا و منحنی‌های جنبشی که تولید و حمل و نقل بار قوی را در سیستم رقیق‌سازی شده دهنده نشان می‌دهد.

دینامیک تشکیل فیلم: پوشش‌دهی شکاف‌دار در مقابل چرخشی

تحقیق بیشتر جوهر فیزیکی دلیل برتری پوشش‌دهی شکاف‌دار نسبت به فرآیندهای پوشش‌دهی چرخشی سنتی را آشکار کرد.

برخلاف پوشش‌دهی چرخشی که در آن فیلم‌ها در حالت فوق‌اشباع دچار تجمع انفجاری می‌شوند، پوشش‌دهی شکاف‌دار روی زیرلایه‌های گرم شده باعث تجمع منظم پذیرنده در فاز مایع می‌شود. این اساساً مسیر تکامل مورفولوژی را تغییر می‌دهد.

کنترل ویسکوزیته نیز نقش مهمی ایفا می‌کند. رقیق‌سازی دهنده ویسکوزیته محلول را کاهش می‌دهد، تبخیر حلال را تسریع می‌کند و زمان تبلور را پس از نازک شدن فیلم افزایش می‌دهد. این امر تجمع بیش از حد پذیرنده را در ضخامت‌های زیاد سرکوب می‌کند.

این دینامیک منحصر به فرد تشکیل فیلم تضمین می‌کند که در طول پوشش‌دهی مساحت بزرگ، کیفیت فیلم نسبت به نوسانات پارامتر فرآیند حساسیت کمتری داشته باشد، که یک عامل حیاتی برای ثبات تولید صنعتی است.

شکل 3 طیف‌سنجی جذب UV-Vis درجا را برای نظارت بر فرآیند تجمع پذیرنده، همراه با شماتیک‌های مقایسه‌ای مکانیسم‌های تشکیل فیلم تحت پوشش‌دهی چرخشی در مقابل شکاف‌دار نشان می‌دهد و نقش تنظیمی حیاتی زیرلایه‌های گرم شده بر تکامل مورفولوژی را برجسته می‌کند.

چشم‌انداز صنعتی و کاربردهای BIPV

با بهره‌گیری از مزایای پردازش ناشی از تحمل ضخامت بالا، تیم تحقیقاتی با موفقیت فناوری را به کاربردهای عملی تبدیل کرد.

در ماژول‌های 100 سانتی‌متر مربعی، آنها به PCE 10.40% و LUE 3.32% با نسبت CTM 85% دست یافتند که یک معیار جدید برای ماژول‌های نیمه‌شفاف بزرگ تعیین می‌کند.

برای نمایش عملکرد BIPV، تیم یک مدل خانه خودتأمین با یک پنجره تولید برق 600 سانتی‌متر مربعی ساخت. آزمایش‌ها ثابت کرد که این سیستم می‌تواند نمایشگرهای LCD را راه‌اندازی کرده و باتری‌های لیتیومی را شارژ کند.

مزایای صرفه‌جویی در انرژی نیز به همان اندازه چشمگیر است. از آنجایی که لایه فعال 88.28٪ از تشعشعات مادون قرمز نزدیک را مسدود می‌کند، پنجره‌های سلولی دمای داخل ساختمان را در مقایسه با پنجره‌های شیشه‌ای معمولی تقریباً 9.2 درجه سانتی‌گراد کاهش داده و مصرف انرژی ساختمان را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهند.

آزمایش پایداری نشان داد که پس از 1000 ساعت قرار گرفتن در فضای باز، دستگاه‌ها بیش از 82٪ از راندمان اولیه خود را حفظ کردند که پتانسیل تجاری‌سازی عالی را نشان می‌دهد.

شکل 4 ساختار ماژول 100 سانتی‌متر مربعی و آمار راندمان CTM را به همراه نمایش‌های کاربردی BIPV شامل عملکرد دستگاه الکترونیکی خودتأمین، ذخیره انرژی و منحنی‌های اثر خنک‌کنندگی عایق حرارتی قابل توجه نشان می‌دهد.

نتیجه‌گیری و چشم‌انداز

این تحقیق از طریق چندین مشارکت کلیدی، پشتیبانی حیاتی برای فتوولتائیک‌های آلی در ساختمان سبز و کاربردهای اینترنت انرژی فراهم می‌کند.

اول، با شکستن وابستگی ST-OSC به فیلم‌های فوق‌نازک، موانع تولید را کاهش می‌دهد. تحمل ضخامت بالا مستقیماً به بازده تولید بالاتر و هزینه‌های کمتر منجر می‌شود.

دوم، کاهش کربن چندبعدی را امکان‌پذیر می‌کند. پنجره‌های ST-OSC از طریق تولید فتوولتائیک برق سبز تولید می‌کنند و همزمان با عایق حرارتی عالی، مصرف انرژی غیرفعال تهویه مطبوع ساختمان را کاهش می‌دهند.

سوم، این فناوری کاربردپذیری گسترده‌ای را نشان می‌دهد. استراتژی رقیق‌سازی دهنده همراه با پردازش حلال بدون هالوژن با روندهای تولید سبز همسو است و موانع را برای حرکت فتوولتائیک‌های آلی به سمت خطوط تولید صنعتی برطرف می‌کند.

همانطور که جهان به سمت خنثی‌سازی کربن پیش می‌رود، این راه‌حل انرژی هوشمند که تولید برق، صرفه‌جویی در انرژی و جذابیت زیبایی‌شناختی را یکپارچه می‌کند، هر ساختمانی را به یک نیروگاه سبز کوچک تبدیل می‌کند.

مقاله اصلی: https://www.nature.com/articles/s41467-026-69537-3

دیدگاه Ooitech

Ooitech معتقد است: رقیق‌سازی دهنده همراه با پوشش دهی شکافی، گلوگاه تحمل ضخامت سلول‌های خورشیدی آلی نیمه‌شفاف را می‌شکند و مسیری واقعی برای صنعتی‌سازی BIPV و استقرار تجاری در مقیاس بزرگ هموار می‌کند.