حقق الباحثون تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا الخلايا الشمسية البوليمرية من خلال تطوير طريقة لاستخدام هندسة السلسلة الجانبية لتحسين التفاعلات الجزيئية. يلغي هذا النهج الحاجة إلى مذيبات المعالجة المهلجنة السامة، مما يحسن كفاءة البطارية واستقرارها. تسلط هذه الدراسة الضوء على مزايا السلاسل الجانبية المعتمدة على أوليجو إيثيلين جلايكول (OEG) وتمثل خطوة رئيسية نحو خلايا شمسية أكثر خضرة وكفاءة وأكثر ملاءمة للأجهزة القابلة للارتداء.
تُعرف الخلايا الشمسية البوليمرية بخفة وزنها ومرونتها، مما يجعلها مثالية للأجهزة القابلة للارتداء. ومع ذلك، فإن المذيبات المهلجنة السامة المطلوبة في عملية الإنتاج تعيق استخدامها على نطاق واسع. وتشكل هذه المذيبات مخاطر بيئية وصحية تحد من جاذبية هذه الخلايا الشمسية. ولسوء الحظ، تفتقر المذيبات البديلة الأقل سمية إلى نفس القابلية للذوبان، وبالتالي تتطلب درجات حرارة أعلى وأوقات معالجة أطول.
هذه الكفاءة المنخفضة تعيق أيضًا تطبيق الخلايا الشمسية البوليمرية. إن الطريقة التي تم تطويرها والتي لا تتطلب استخدام المذيبات المهلجنة يمكن أن تزيد بشكل كبير من كفاءة الخلايا الشمسية العضوية، مما يجعلها أكثر ملاءمة للتكنولوجيا القابلة للارتداء.
في بحث نُشر مؤخرًا، يوضح الباحثون كيف يمكن استخدام هندسة السلسلة الجانبية لتحسين التفاعلات الجزيئية بين الجهات المانحة للبوليمر ومتقبلات الجزيئات الصغيرة، وبالتالي تقليل الحاجة إلى مذيبات المعالجة المهلجنة.
تم نشر الورقة مؤخرًا في NanoResearch Energy.
وقال يون هاي كيم، الأستاذ في جامعة جيونج سانج الوطنية في كوريا الجنوبية: "إن الشكل المختلط لمتبرع البوليمر ومستقبل الجزيء الصغير يتأثر بشكل كبير بتفاعلاتهما الجزيئية، والتي يمكن تحديدها من خلال الطاقة البينية بين المواد المانحة والمستقبلة. عندما تكون قيم التوتر السطحي متشابهة، من المتوقع أن تكون الطاقة البينية والتفاعلات الجزيئية بين المتبرع والمستقبل أكثر ملاءمة". "لتعزيز محبة الماء للمانحين البوليمر وتقليل التهجين الجزيئي، قد تكون هندسة السلسلة الجانبية طريقة قابلة للتطبيق."
دور هندسة السلسلة الجانبية
تتضمن هندسة السلسلة الجانبية إضافة مجموعة كيميائية تسمى السلسلة الجانبية إلى السلسلة الرئيسية للجزيء. يمكن للمجموعات الكيميائية في السلاسل الجانبية أن تؤثر على خصائص الجزيئات الكبيرة. وتكهن الباحثون بأن إضافة سلاسل جانبية تعتمد على أوليجو إيثيلين جلايكول (OEG) من شأنها أن تزيد من محبة الماء للبوليمر المتبرع، وذلك بفضل ذرات الأكسجين الموجودة في السلاسل الجانبية. تنجذب الجزيئات المحبة للماء إلى الماء.
يمكن أن تؤثر الاختلافات في المحبة للماء بين الجهات المانحة للبوليمر ومتقبلات الجزيئات الصغيرة على تفاعلاتها. مع زيادة محبة الماء للمانحين البوليمر وتحسن تفاعلاتهم مع متقبلات الجزيئات الصغيرة، يمكن استخدام مذيبات المعالجة غير المهلجنة دون التأثير على أداء الخلايا الشمسية. في الواقع، كانت الخلايا الشمسية البوليمرية المصنوعة من سلاسل جانبية OEG متصلة بمانحات بوليمر البنزوديثيوفين تتمتع بكفاءة تحويل طاقة تبلغ 17.7%، أعلى من 15.6%.
تحسين الكفاءة والاستقرار
لمقارنة النتائج، صمم الباحثون متبرعين من بوليمر البنزوديثينيل بسلاسل جانبية من OEG، أو سلاسل جانبية من الهيدروكربون، أو 50% سلاسل جانبية من الهيدروكربون و50% من السلاسل الجانبية من OEG. وقال كيم: "يوضح هذا تأثير هندسة السلسلة الجانبية على الشكل الهجين وأداء الخلايا الشمسية البوليمرية غير المهلجنة والمُعالجة بالمذيبات". "تظهر نتائجنا أن البوليمرات ذات السلاسل الجانبية OEG المحبة للماء يمكنها تحسين الامتزاج مع متقبلات الجزيئات الصغيرة وتحسين كفاءة تحويل الطاقة واستقرار الجهاز للخلايا الشمسية البوليمرية أثناء المعالجة غير المهلجنة."
بالإضافة إلى تحسين كفاءة تحويل الطاقة، تتمتع الخلايا الشمسية البوليمرية ذات السلاسل الجانبية OEG أيضًا بثبات حراري أعلى. يعد الاستقرار الحراري أمرًا بالغ الأهمية لتوسيع نطاق الخلايا الشمسية البوليمرية، لذلك قام الباحثون بتسخينها إلى 120 درجة مئوية ثم مقارنة كفاءات تحويل الطاقة. بعد التسخين لمدة 120 ساعة، حقق البوليمر ذو السلاسل الجانبية الهيدروكربونية 60% فقط من كفاءة تحويل الطاقة الأصلية وأظهر عدم انتظام السطح، بينما حافظ خليط الهيدروكربونات وOEG على 84% من كفاءة تحويل الطاقة الأصلية.
وقال كيم: "يمكن أن توفر النتائج التي توصلنا إليها إرشادات مفيدة لتصميم الجهات المانحة للبوليمر لإنتاج خلايا شمسية بوليمرية فعالة ومستقرة باستخدام معالجة المذيبات غير المهلجنة".
المرجع: Soodeok Seo، Jun-Young Park، Jin Su Park، Seungjin Lee، Do-Yeong Choi، Yun-Hi Kim، وBumjoon J. Kim نشروا بحثًا في "Nano Research Energy" في 24 يوليو 2023: "مانح البوليمر ذو السلسلة الجانبية المحبة للماء يتيح خلايا بوليمر شمسية فعالة ومستقرة حرارياً من خلال معالجة المذيبات غير المهلجنة."
دوى:10.26599/nre.2023.9120088
المصدر المجمع: ScitechDaily