As células solares de polímero são painéis solares leves e flexíveis que podem ser usados ​​em dispositivos vestíveis. No entanto, os solventes de processamento halogenados tóxicos utilizados durante o fabrico destas células solares limitaram a sua adopção generalizada.



As alternativas aos solventes de processamento halogenados não são tão solúveis, exigindo assim temperaturas mais elevadas e tempos de processamento mais longos. Encontrar uma maneira de eliminar a necessidade de solventes de processamento halogenados poderia melhorar a eficiência das células solares orgânicas e tornar as células solares de polímero uma opção viável para dispositivos vestíveis.

Em um artigo publicado na Nano Research Energy em 24 de julho, os pesquisadores descrevem como melhorar as interações moleculares entre os doadores de polímeros e os aceitadores de moléculas pequenas usando engenharia de cadeia lateral pode reduzir a necessidade de solventes de processamento halogenados.

"A morfologia da mistura de doadores de polímero e aceitadores de pequenas moléculas é altamente afetada por suas interações moleculares, que podem ser determinadas pelas energias interfaciais entre os materiais doadores e aceitadores. Quando seus valores de tensão superficial são semelhantes, as energias interfaciais e as interações moleculares entre os doadores e espera-se que os aceitantes sejam mais favoráveis", disse Yun-Hi Kim, professor da Universidade Nacional Gyeongsang em Jinju, República da Coreia.

"Para aumentar a hidrofilicidade dos doadores de polímeros e reduzir a mistura molecular, a engenharia da cadeia lateral pode ser um caminho plausível."

A engenharia da cadeia lateral ocorre quando um grupo químico, denominado cadeia lateral, é adicionado à cadeia principal de uma molécula. Os grupos químicos na cadeia lateral afetam as propriedades da molécula maior.

Os pesquisadores teorizaram que a adição de cadeias laterais à base de oligoetilenoglicol (OEG) melhoraria a hidrofilicidade dos doadores de polímero graças aos átomos de oxigênio nas cadeias laterais. Uma molécula com hidrofilicidade é atraída pela água. Diferenças na hidrofilicidade dos doadores de polímero e dos aceitadores de pequenas moléculas podem impactar a forma como eles interagem.

Com maior hidrofilicidade dos doadores de polímero e melhores interações entre eles e os aceitadores de pequenas moléculas, solventes de processamento não halogenados podem ser usados ​​sem sacrificar o desempenho da célula solar. Na verdade, as células solares de polímero feitas com cadeias laterais baseadas em OEG ligadas a um doador de polímero baseado em benzoditiofeno tiveram uma eficiência de conversão de energia mais alta de 17,7% em comparação com 15,6%.

Para comparar os resultados, os pesquisadores projetaram doadores de polímero à base de benzoditiofeno com uma cadeia lateral de OEG, cadeias laterais de hidrocarbonetos ou cadeias laterais que eram 50% de hidrocarbonetos e 50% de OEG.

"Isso elucidou o efeito da engenharia de cadeia lateral na morfologia da mistura e no desempenho de células solares de polímero não halogenadas processadas com solvente", disse Kim. "Nossas descobertas demonstram que polímeros com cadeias laterais OEG hidrofílicas podem aumentar 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 baseadas em OEG melhoraram a estabilidade térmica. A estabilidade térmica é essencial para dimensionar células solares de polímero, por isso os pesquisadores as aqueceram a 120° Celsius e depois compararam a eficiência de conversão de energia. Após 120 horas de aquecimento, os polímeros com cadeias laterais de hidrocarbonetos apresentavam apenas 60% de sua eficiência inicial de conversão de energia e apresentavam irregularidades em sua superfície, enquanto a mistura de hidrocarbonetos e OEG reteve 84% de sua eficiência inicial de conversão de energia.

"Nossos resultados podem fornecer uma diretriz útil para projetar doadores de polímeros que produzem células solares de polímero eficientes e estáveis ​​usando processamento com solvente não halogenado", disse Kim.

Outros colaboradores incluem Soodeok Seo, Jin Su Park e Bumjoon J. Kim do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia; Jun-Young Park e Do-Yeong Choi da Universidade Nacional de Gyeongsang; e Seungjin Lee, do Instituto de Pesquisa de Tecnologia Química da Coreia.

Mais informações: Soodeok Seo et al, Doadores de polímero com cadeias laterais hidrofílicas permitindo células solares de polímero eficientes e termicamente estáveis ​​por meio de processamento com solvente não halogenado, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2022.9120088
Fornecido pela Imprensa da Universidade de Tsinghua