Sintesis dan pencirian poliimida aromatik berasaskan diisosianat untuk pembangunan substrat filem bagi aplikasi sel suria terpeka pewarna (DSSC)

Abstract

Pembangunan substrat yang fleksibel berasaskan polimer telah memperluas potensi aplikasi sel suria terpeka pewarna (DSSC). Namun, kebanyakan substrat filem polimer yang tersedia mempunyai ketahanan terma yang rendah yang mengehadkan suhu rawatan haba untuk pemendapan lapisan TiO2. Kajian ini membincangkan potensi poliimida (PI) berasaskan diisosianat yang mempunyai ketahanan terma yang lebih tinggi untuk digunakan sebagai substrat filem fotoanod dalam DSSC. Kelemahan utama PI untuk dibangunkan sebagai substrat adalah sifat kelarutan dan kelutsinaran yang rendah, dipengaruhi oleh struktur tulang belakang polimer. Dalam kajian ini, empat PI dengan struktur berbeza telah dihasilkan melalui proses pempolimeran satu-langkah dengan pemanasan secara terus, yang melibatkan 4,4’- metilena difenil diisosianat (MDI), 2,4’-toluena diisosianat (TDI), benzofenon-3,3’,4,4’-tetrakarboksilik dianhidrida (BTDA) dan 4,4’-(heksafluoroisopropilidena) diftalik anhidrida (6FDA). Kesemua PI yang disintesis menunjukkan kestabilan terma yang tinggi sehingga 580 °C pada kehilangan berat 5% dengan berat molekul sederhana antara 26.6 kg/mol hingga 35.6 kg/mol. Berdasarkan penilaian antara struktur dan sifat polimer, PI dengan struktur 6FDA menunjukkan sifat kelarutan yang paling baik dalam kebanyakan pelarut dan sesuai digunakan dalam penghasilan filem. PI daripada MDI dan 6FDA (PI-3) dengan warna larutan polimer yang paling kurang pekat dipilih untuk dibangunkan sebagai substrat dalam DSSC. Larutan PI-3 dituang dan diuji dengan kaedah pemanasan dan jumlah titisan larutan yang berbeza. Kaedah pengeringan dalam ketuhar vakum pada 160 ℃ selama 2 jam dengan 46 jumlah titisan larutan PI-3 telah dikenal pasti untuk mendapatkan filem yang tidak rapuh dengan warna yang sekata. Sifat kehabluran, mekanikal, kelutsinaran, sifat terma, dan ketahanan kimia filem PI-3 yang terhasil telah dikaji. Filem PI-3 yang fleksibel dan kurang hablur dengan purata ketebalan 93 μm berjaya dihasilkan dengan kekuatan tegangan filem sehingga 57 MPa dan pemanjangan memutus pada 5%. Filem PI-3 juga menunjukkan kelutsinaran optik yang baik (T500 = 69%) dengan panjang gelombang terpenggal pada 371 nm dan ketahanan terma yang tinggi (T5= 574 ℃) dengan suhu Tg sehingga 238 ℃. Selain itu, ketahanan kimia filem PI-3 yang baik dapat diperhatikan dalam pelarut metanol, etanol, isopropanol dan THF. Bagi mengenal pasti nilai kecekapan DSSC daripada substrat PI yang dihasilkan, Kapton komersial telah digunakan sebagai substrat rujukan. Filem PI-3 dan Kapton komersial disediakan sebagai substrat konduktif fotoanod dengan pemendapan lapisan ITO menggunakan penyejat alur elektron (E-beam), dan menghasilkan nilai rintangan keping sehingga 103 Ω/sq. Kelutsinaran filem PI-3/ITO didapati berkurang selepas pemendapan ITO kepada T500 = 65%. Kajian ini menunjukkan bahawa penggunaan PI 3 sebagai substrat DSSC dapat meningkatkan suhu pemendapan lapisan TiO2 sehingga 220 ℃. Sifat kehabluran dan morfologi permukaan bagi kedua-dua filem Kapton/ITO dan PI-3/ITO adalah sebanding selepas pemendapan lapisan TiO2. Kecekapan sel dengan substrat berasaskan filem PI-3 ialah 3.728 × 10-3 % yang mana lebih tinggi daripada sel berasaskan substrat Kapton komersial (η = 2.555 × 10-3 %). Hal ini menunjukkan bahawa PI berasaskan diisosianat mempunyai potensi yang tinggi untuk digunakan sebagai substrat fotoanod dalam aplikasi DSSC.