پیشرفت شگرف در تهیه پلیمرهای آلی برای سلول های خورشیدی پلاستیکی

پروفسور Guillermo Bazan و جمعی از همکارانش در مرکز تحقیقاتی CPOS به تکنولوژی جدیدی در زمینه‌‌ی تهیه‌ی پلیمرهای آلی برای سلول‌های خورشیدی دست یافتند.

محققین معمولاً دنبال روش‌های سنتز شیمیایی مناسبی برای بهبود ساختار پلیمرها و پیش‌بینی رابطه‌ای بین ساختار و عملکرد می‌باشند. بدین منظور Bazan و همکارانش با استفاده از گرمایش میکروویو و تصحیح نسبت‌های واکنشی کومونومرها توانستند به کوپلیمرهای دهنده-پذیرنده‌ی الکترون با وزن مولکولی بالا دست یابند. این روش سنتز تهیه دو نوع کوپلیمر دهنده-پذیرنده را امکان‌پذیر می‌سازد که در شکل زیر این واکنش شیمیایی نشان داده‌شده‌است:

کارآمدترین سلول‌های خورشیدی پلاستیکی شامل مخلوطی از پلیمرهای مزدوج و یک پذیرنده‌ی الکترون مثل مشتقات فولرن می‌باشند. بنابراین محققین دنبال پلیمرهای مزدوج با اختلاف انرژی کم (Narrow band gap) برای ساختن چنین سلول‌هایی می‌باشند.

Bazan و همکارانش توانستند زمان واکنش را ۹۹% کاهش داده و از ۴۸ ساعت به ۳۰ دقیقه برسانند. هم‌چنین وزن مولکولی متوسط پلیمرها را سه برابر افزایش دادند.

زمان واکنشی کاهش‌یافته، زمان لازم برای تولید پلیمرهای آلی را تقریباً ۵۰% کوتاه می سازد؛ چرا که زمان واکنش و زمان خالص‌سازی در فرایند تولید در هر دو محیط آزمایشگاهی و صنعتی تقریباً برابرند.

وزن مولکولی بالای پلیمرها که نشان‌دهنده‌ی وجود زنجیرهای طولانی می‌باشد، چگالی جریان در سلول‌های خورشیدی پلاستیکی را تا چهار برابر افزایش می‌دهد.

طبق گفته‌ی Bazan روش به‌کار‌گرفته‌شده با ممکن‌ساختن تولید سریع بچ‌های مختلف پلیمری، بررسی پلیمرها را سرعت می‌بخشد. او افزود: انتظار می‌رود این روش علاوه بر تولید مواد جدید که کارایی سلول‌های خورشیدی و زمان عمر کاربری آنها را افزایش می‌دهد، برای بررسی مجدد ساختارهای پلیمری از قبل تهیه‌شده که قابلیت عملکرد بالاتری نسبت به حالت اولیه دارند، مناسب می‌باشد.

همان‌گونه که اشاره شد، این محققین با جایگزین‌کردن گرمایش حرارتی مرسوم در این فرایندها با گرمایش میکروویو به کوپلیمرهای مطلوب دست یافتند. هم‌چنین اصلاح غلظت‌های مواد واکنش دهنده و تغییر نسبت واکنش‌دهنده‌ها فقط به اندازه ۵ % از نسبت استوکیومتری معمول به‌کار‌گرفته‌شده (۱:۱) در واکنش‌های پلیمریزاسیون، از جمله اصلاحاتی بود که انجام شد. نتایج این تحقیقات در مجله Nature به چاپ رسیده است.

در این زمینه رئیس مرکز Stanford در زمینه پیل‌های فوتوولتایی مولکولی پیشرفته گفت: بسیاری از شیمیست‌های سنتزکننده‌ی دنیا، کوپلیمر‌ها‌یی با بخش‌های دهنده-پذیرنده‌ی متناوب برای دست‌یابی به اختلاف انرژی (band gap) پایین می‌سازند که بیشتر آن‌ها به وزن‌ مولکولی مناسبی دست نمی‌یابند. بنابراین این روش سنتز، با ایجاد زنجیرهای طولانی، جهشی خارق‌العاده انجام داده‌است. هم‌چنین کاهش زمان واکنش، باعث بهینه‌شدن ساختار شیمیایی و در نهایت کاهش قیمت تولید تمام‌شده می‌گردد.