Os pesquisadores fizeram progressos significativos na tecnologia de células solares de polímeros, desenvolvendo um método para usar a engenharia de cadeia lateral para melhorar as interações moleculares. Esta abordagem elimina a necessidade de solventes de processamento halogenados tóxicos, melhorando a eficiência e a estabilidade da bateria. Este estudo destaca as vantagens das cadeias laterais baseadas em oligoetilenoglicol (OEG) e marca um passo fundamental em direção a células solares mais ecológicas e eficientes, mais adequadas para dispositivos vestíveis.
As células solares de polímero são conhecidas por seu peso leve e flexibilidade, tornando-as ideais para dispositivos vestíveis. No entanto, os solventes halogenados tóxicos necessários no processo de produção dificultam a sua utilização generalizada. Estes solventes representam riscos ambientais e de saúde que limitam o apelo destas células solares. Infelizmente, solventes alternativos menos tóxicos não possuem a mesma solubilidade e, portanto, requerem temperaturas mais elevadas e tempos de processamento mais longos.
Esta baixa eficiência dificulta ainda mais a aplicação de células solares poliméricas. Um método desenvolvido que não requer o uso de solventes halogenados poderia aumentar significativamente a eficiência das células solares orgânicas, tornando-as mais adequadas para tecnologia vestível.
Num artigo publicado recentemente, os investigadores descrevem como a engenharia da cadeia lateral pode ser usada para melhorar as interações moleculares entre doadores de polímeros e aceitadores de moléculas pequenas, reduzindo assim a necessidade de solventes de processamento halogenados.
O artigo foi publicado recentemente na NanoResearch Energy.
"A morfologia mista de um doador de polímero e um aceitador de moléculas pequenas é muito afetada por suas interações moleculares, que podem ser determinadas pela energia interfacial entre os materiais doador e aceitador. Quando seus valores de tensão superficial são semelhantes, espera-se que a energia interfacial e as interações moleculares entre o doador e o aceitador sejam mais favoráveis, "disse Yun-Hi Kim, professor da Universidade Nacional de Gyeongsang, na Coreia do Sul. "Para aumentar a hidrofilicidade dos doadores de polímeros e reduzir a desibridização molecular, a engenharia da cadeia lateral pode ser uma abordagem viável."
O papel da engenharia da cadeia lateral
A engenharia da cadeia lateral envolve a adição de um grupo químico denominado cadeia lateral à cadeia principal de uma molécula. Os grupos químicos nas cadeias laterais podem afetar as propriedades das macromoléculas. Os pesquisadores especularam que a adição de cadeias laterais à base de oligoetilenoglicol (OEG) aumentaria a hidrofilicidade do doador de polímero, graças aos átomos de oxigênio nas cadeias laterais. Moléculas hidrofílicas são atraídas pela água.
Diferenças na hidrofilicidade de doadores de polímeros e aceitadores de pequenas moléculas podem afetar suas interações. À medida que a hidrofilicidade dos doadores de polímero aumenta e suas interações com aceitadores de pequenas moléculas melhoram, solventes de processamento não halogenados podem ser usados sem afetar o desempenho das células solares. Na verdade, as células solares de polímero feitas com cadeias laterais de OEG ligadas a doadores de polímero de benzoditiofeno tiveram uma eficiência de conversão de energia de 17,7%, superior a 15,6%.
Melhore a eficiência e a estabilidade
Para comparar os resultados, os pesquisadores projetaram doadores de polímero de benzoditenila com cadeias laterais de OEG, cadeias laterais de hidrocarbonetos ou 50% de cadeias laterais de hidrocarbonetos e 50% de cadeias laterais de OEG. "Isso ilustra o impacto da engenharia da cadeia lateral na morfologia híbrida e no desempenho de células solares de polímero não halogenadas processadas com solvente", disse Kim. "Nossos resultados mostram que polímeros com cadeias laterais OEG hidrofílicas podem melhorar a miscibilidade com aceitadores de moléculas pequenas e melhorar a eficiência de conversão de energia e a estabilidade do dispositivo de células solares de polímero durante o processamento não halogenado."
Além de melhorar a eficiência de conversão de energia, as células solares de polímero com cadeias laterais OEG também apresentam maior estabilidade térmica. A estabilidade térmica é crucial para ampliar as células solares de polímero, por isso os pesquisadores as aqueceram a 120 graus Celsius e depois compararam as eficiências de conversão de energia. Após aquecimento por 120 horas, o polímero com cadeias laterais de hidrocarbonetos apresentou apenas 60% de sua eficiência de conversão de energia original e apresentou irregularidades superficiais, enquanto a mistura de hidrocarbonetos e OEG manteve 84% de sua eficiência de conversão de energia original.
"Nossas descobertas podem fornecer orientação útil para projetar doadores de polímero para produzir células solares de polímero eficientes e estáveis usando processamento com solvente não halogenado", disse Kim.
Referência: Soodeok Seo, Jun-Young Park, Jin Su Park, Seungjin Lee, Do-Yeong Choi, Yun-Hi Kim e Bumjoon J. Kim publicaram um artigo na "Nano Research Energy" em 24 de julho de 2023: "O doador de polímero de cadeia lateral hidrofílica permite células solares de polímero eficientes e termicamente estáveis por meio de tratamento com solvente não halogenado."
doi:10.26599/nre.2023.9120088
Fonte compilada: ScitechDaily