Bayangkan masa depan ketika layar ponsel, fasad bangunan, dan bahkan tenda kita dapat dengan mudah menghasilkan listrik-suatu prestasi yang dimungkinkan oleh potensi besar sel surya polimer (PSC). Dibandingkan dengan panel surya berbasis silikon-tradisional, PSC, dengan keunggulan uniknya yaitu ringan, fleksibel, dan solusi-dapat dicetak untuk fabrikasi perangkat-area besar, telah menjadi bintang baru di bidang energi baru. Namun, hambatan utama dalam mencapai penerapan komersial terletak pada peningkatan efisiensi konversi fotolistrik (PCE). Selama dekade terakhir, PCE telah melonjak dari sekitar 1% menjadi lebih dari 11%, dan salah satu kekuatan pendorong utama di balik hal ini adalah desain dan optimalisasi material fotovoltaik polimer berperforma tinggi.
1. Dari Politiofena menjadi Kopolimer D-A
Penelitian awal berfokus pada homopolimer politiofena seperti P3HT, tetapi spektrum serapannya yang sempit dan tingkat HOMO yang tinggi membatasi efisiensi. Para peneliti telah mendobrak batasan ini melalui desain molekuler: misalnya, memasukkan cabang terkonjugasi dua dimensi seperti bisthiophene ethylene ke dalam polithiophene tidak hanya memperluas spektrum serapan namun juga menurunkan tingkat HOMO sekitar 0,2 eV, sehingga secara signifikan meningkatkan tegangan rangkaian terbuka dan arus hubung singkat perangkat, sehingga meningkatkan efisiensi dari 2,41% menjadi 3,18%. Strategi lainnya adalah mengurangi jumlah rantai alkil dan memperkenalkan gugus penarik elektron seperti gugus ester, yang juga dapat secara efektif menurunkan tingkat energi HOMO dan secara signifikan meningkatkan Voc (misalnya, PDGBT mencapai 0,91 V) dan efisiensi (7,2%).
2. Benzoditiofena (BDT)
Terobosan yang benar-benar revolusioner datang dari struktur kopolimer bolak-balik donor-akseptor (D-A). Diantaranya, unit benzodithiophene (BDT) menonjol karena bidang terkonjugasinya yang besar, mobilitas tinggi, dan modifikasi struktural yang mudah. Pada tahun 2008, Peneliti Hou Jianhui memelopori penggunaan BDT dalam desain polimer D-A di kelompok penelitian Yang. Selanjutnya, kombinasi BDT dan tiofena[3,4-b]tiofena (TT) menjadi pasangan terbaik untuk material berperforma tinggi.
Untuk mengeksplorasi lebih jauh potensi polimer mirip BDT-, cabang terkonjugasi dua-dimensi dan strategi fluorinasi dapat diterapkan:
Memasukkan cabang terkonjugasi dua-dimensi ke dalam unit BDT akan sangat memperluas area terkonjugasi elektron π-dalam molekul. Hal ini tidak hanya meningkatkan interaksi antarmolekul dan kemampuan transportasi muatan tetapi juga secara efektif memodulasi spektrum serapan dan tingkat energi molekul. Misalnya, PBDTTT-C-T, PTB7-Th, dan yang lebih baru PBDT-TS1, yang mencapai terobosan efisiensi lebih dari 10%, semuanya mendapat manfaat dari desain ini.
Memasukkan atom fluor yang menarik elektron-dengan kuat ke dalam rantai samping atau unit akseptor TT BDT secara selektif dapat secara sinergis dan signifikan mengurangi tingkat energi HOMO polimer, sehingga sangat meningkatkan tegangan sirkuit terbuka perangkat. Dari PBT-OF ke PBT-3F, seiring bertambahnya jumlah atom fluor, Voc meningkat dari 0,56 V menjadi 0,78 V, dan efisiensi melonjak dari 4,5% menjadi 8,6%.
3. Pengendalian Morfologi
Kinerja yang tinggi tidak hanya bergantung pada bahan itu sendiri, tetapi juga pada struktur mikro dari heterojungsi massal yang dibentuk oleh campuran donor/akseptor pada lapisan aktif. Morfologinya harus tepat: jika wilayah fase terlalu besar, eksiton akan bergabung kembali sebelum dapat terpisah; jika wilayah fase terlalu kecil, muatan bebas juga akan mudah bergabung kembali. Para peneliti telah mengeksplorasi dua pendekatan untuk mengendalikan campuran polimer:
Pemrosesan pelarut ramah lingkungan: Untuk menghindari pelarut berhalogen beracun, para peneliti mengeksplorasi penggunaan pelarut ramah lingkungan seperti o-xylene dan o-metil anisole (MA), dikombinasikan dengan aditif spesifik (seperti NMP), berhasil mereplikasi morfologi luar biasa yang serupa dengan sistem pelarut terhalogenasi dan mencapai efisiensi tinggi hampir 10%.
Optimalisasi struktur molekul: Dengan merancang untuk membuat tulang punggung polimer lebih linier, meningkatkan area terkonjugasi, atau menyesuaikan rantai samping alkil dengan halus, kristalinitas dan pengemasan molekul polimer dapat dikontrol secara aktif, sehingga memperoleh morfologi campuran yang ideal.
Sebagai komponen penting energi ramah lingkungan, material fotovoltaik polimer memimpin tren transformasi energi dengan sifat dan keunggulannya yang unik. Dengan kemajuan teknologi dan perluasan pasar yang berkelanjutan, bahan fotovoltaik polimer akan menunjukkan prospek penerapan yang lebih luas dan potensi pasar yang sangat besar di masa depan. Mari kita menantikan material fotovoltaik polimer yang menghadirkan solusi energi yang lebih bersih, efisien, dan berkelanjutan bagi masyarakat manusia!
