УДК 620

Полимерные материалы на основе полиимидов в качестве гибких чипов и основы для солнечных элементов

Искаков Ринат Маратович – доктор химических наук, доцент, профессор Института геологии и нефтегазового дела им. К. Турысова (г. Алматы, Республика Казахстан)

Халыхова Дана Галымжановна – студент Института геологии и нефтегазового дела им. К. Турысова (г. Атырау, Республика Казахстан)

Аннотация: Органические солнечные элементы менее чем за десятилетие превратились из низкоэффективных лабораторных устройств в первые эффективные продукты. Главными задачами для развития технологий являются дальнейшее повышение эффективности устройства за счет разработки материалов для достижения высокой светоодачи, высокого фотоэлектрического напряжения, контроля микроструктуры смеси, разработка новых электродов, которые будут конкурировать с вездесущими, но дорогими ОИО (оксид индия-олова) и, в конечном счете, вытеснят их, а также повышение долговременной стабильности устройства. Установлено, что оптимальные условия для получения многослойного электрода со следующими словями: полиТЕОС-поли (тетраэтоксисилан) активный адгезив и полупроводящий слой в качестве анода, также для активного слоя Р3НТ (поли (3-гексилтиофен-2,5-дилл)/ПХМБ ([6,6]-фенил-С61-метиловый эфир масляной кислоты), для повышения эффективности преобразования энергии,ответственной за перенос p-n; а также проводящий металлический слой на основе серебра в качестве катода.

Ключевые слова: органические полимеры, солнечная энергия, электроника,электропроводящие полимеры, полиимиды.

Введение

Электропроводящие полимеры обладают потенциальной возможностью их применения в различных областях техники. Электропроводящие композиционные материалы на их основе могут быть легкими и прочными токопроводящими элементами. Они могут быть использованы как антистатические покрытия и материалы, поглощающие электромагнитное излучение в различных диапазонах длин волн. Благодаря их электрохимическим и ионообменным свойствам они могут использоваться в качестве электродов аккумуляторов [1], ионообменных материалов [2] и ионселективных электродов [3]. Способность полипиррола и полианилина изменять объем под действием электрического потенциала делает их перспективными материалами для создания искусственных мышц [4, 5]. В работе [6] показана возможность использования полимерных полупроводников для создания компонентов электронной техники. Также проводящие полимеры являются перспективными материалами для получения антикоррозионных покрытий металлических изделий [7].

Все аспекты необходимо учитывать при выборе материала для фотогальванического экранирования. Одна из категорий полимеров, наилучшим образом отвечающая описанным техническим требованиям, представлена полиимидами (ПИ), которые известны своей способностью сохранять стабильность при воздействии тепла, влаги, химических веществ и радиации. Баланс между термическими, оптическими, морфологическими характеристиками и характеристиками смачиваемости ПИ можно регулировать с помощью химической структуры [8, 9].

Экспериментальная часть

Метод двухэтапного синтеза является самым простым и наиболее часто используемым методом получения полиимидов в промышленности.

image001

Рисунок 1. Схематическое изображение мономерных структур. Вложенная таблица содержит информацию об аббревиатурах, структурах полиимидов после комбинации мономеров и количестве средних молекулярных масс, соответствующих каждому образцу.

Установлено, что оптимальными условиями для получения прозрачного электрода являются следующие: поли(тетраэтоксисилан) (полиТЭОС) получали на поверхности исходной полиимидной пленки в растворе изопропанола (6 об.%) из тетраэтоксисилана и толуол-2,4-диизоцианата (TDI) мономеров. Процесс полимеризации политеоса протекает в кислых условиях на поверхности полиимидных пленок.

Имеются SEM-изображения полиэфиров, полимеризующихся на поверхностях полиимида в зависимости от различной концентрации TEOS в реакторе во время синтеза. Наблюдается однородное распределение политеос-субстрата по поверхностям с очевидным увеличением содержания силиката по мере увеличения его концентрации в реакторе с 5,5 до 8,0 - 10,0 масс. % сомономеров в реакционноспособном растворе изопропанола.

Смесь P3HT/PCBM в хлороформе [10] наносили на модифицированную полиТЭОС полиимидную пленку, капая раствор на подложку, вращающуюся с помощью рото-пленочной машины. Оптимальная толщина фотоактивного слоя составляет около 85 нм (при вращении 3500 об/мин), а температура после отжига составляет 150°С, как показано на рисунке 2. Оптимизация всех этапов производства органических солнечных элементов привела к повышению эффективности преобразования энергии до 3,25%.

image002image003

Рисунок 2. а) % – характеристика толщины фотоактивного слоя в зависимости от скорости вращения. б) % - толщина фотоактивного слоя в зависимости от температуры сушки.

На рисунке 3 показана блок-схема процесса металлизации исходных полиимидов и полиимидов серии А (А1), включая щелочной гидролиз KOH, ионный обмен с помощью Ni, каталитическое восстановление наночастиц Ni и осаждение Ni химическим путем. Сначала пленки ПИ в свежем виде разрезали на кусочки и очищали ультразвуком в этанольной ванне в течение 35 мин. После ультразвуковой очистки пленки PI промывали деионизированной водой, а затем держали в печи при 65 °C в течение 25 мин. Очищенные пленки PI погружали в раствор КОН при комнатной температуре. Концентрацию KOH и время погружения регулировали для проверки минимального значения, при котором модифицированная пленка PI могла металлизироваться с полным покрытием. Таким образом, большее количество ионов К+ образует комплексы с привитыми группами карбоновой кислоты в полиимиде А1, но все имплантированные ионы К+ образуют комплексы с карбоксилатными ионами, образующимися в результате расщепления имидного кольца в исходном ПИ, как показано на рисунке 3.

image004

Рисунок 3. Схема модификации поверхности (щелочной гидролиз, ионный обмен и каталитическое восстановление) и химического осаждения Ni на полиимиды.

image005

Рисунок 4. Структура производства солнечных батарей.Максимальные результаты в 0,28 В были достигнуты при частоте ультрафиолетового излучения около 250 Гц, что составляет около 3,4% эффективности преобразования излучения в электрическое. Напряжение показывает рост с увеличением интенсивности УФ до 250 Гц. Дальнейшее снижение происходит в основном за счет разрушения либо серебряных, либо полимерных слоев при высокой интенсивности ультрафиолета.

image006

 

Рисунок 5. Вольтовая характеристика конечного композита в зависимости от интенсивности УФ-облучения.

Заключение

Многослойная структура на основе полиимидной пленочной подложки со следующими слоями: полиТЭОС-поли(тетраэтоксисилановый) активный клей и полупроводниковый слой, а также для активного слоя П3ГТ (поли (3-гексилтиофен-2,5-диил)/ПХБМ ([6 ,6] - метиловый эфир фенил-C61-масляной кислоты), для повышения эффективности преобразования энергии, отвечающей за p-n-перенос, а также был разработан проводящий металлический слой. Готовая пленка может быть использована при изготовлении гибких органических солнечных элементов. Первые результаты, показывая, что до 3,5% энергии ультрафиолета переходит в электрический заряд.

Список литературы

  1. Sariciftci N.S., Smilowitz L., Heeger A.J., Wudl F. Photoinduced electron transfer from a conducting polymer to buckminsterfullerene. Science, 258 (1992), pp. 1474-1476.
  2. Hyosung Choi, Junghoon Lee, Wonho Lee, Seo-Jin Ko, Renqiang Yang, JeongChul Lee, Han Young Woo, Changduk Yang, Jin Young Kim "Acid-functionalized fullerenes used as interfacial layer materials in inverted polymer solar cells" Electron.14, (2013) 3138-3145.
  3. Nyberg T., An alternative method to build organic photodiodes. Synthetic Metals, 2004.140 (2004) 281-286.
  4. Park S.H., Roy A., Beaupré S., Cho S., Coates N., Moon J.S., Moses D., Leclerc M., Lee K., Heeger A.J. Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching 100%. Nat. Photonics, 3 (2009), pp. 297-302.
  5. Peters C.H., SachsQuintana T., Kastrop J.P., Beaupré S., Leclerc M., McGehee M.D. High efficiency polymer solar cells with long operating lifetimes. Adv. Energy Mater., 1 (2011), pp. 491-4
  6. Kyaw A.K.K. et al. The properties of sol–gel processed indium-doped zinc oxide semiconductor film and its application in organic solar cells. Phys. Status Solidi A 208, 2635-2642 (2011).
  7. Song S., Park Y., Jin J., Park J.Y., Shim I., Kim H., Lee K., Lee H. Suh Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 48 (2010), pp. 4567-4573.
  8. Романенко А.И. Электронные транспортные свойства электропроводящих полимеров и композитов на их основе.
  9. Zhubanov B.A., Kravtsova V.D., Iskakov R.M., Matnishyan A.A. Polymeric composites based on alicyclic polyimide andpolyaniline //Journal of Applied Chemistry.–– Vol. 81, № 12.– P. 2151-2154.
  10. Zhang, M., Guo, X., Ma, W., Ade, H., and Hou, J. (2015). A large-bandgap conjugated polymer for versatile photovoltaic applications with high performance. Mater. 27, 4655-4660.

Интересная статья? Поделись ей с другими: