Ett internationellt team av forskare har upptäckt en ny kvantitativ relation som möjliggör snabb identifiering av lovande materialkombinationer för organiska solceller. Upptäckten kan avsevärt minska "trial and error" -aspekten av solcellsproduktion genom att minska tiden som spenderas på att hitta de mest effektiva blandningarna. Forskningen visas i Naturmaterial .
Nuvarande, kemister som arbetar med att designa mer effektiva organiska solceller förlitar sig starkt på "obduktion" eller analys efter distribution av fördelningen av de ingående materialen i cellerna de producerar. Med andra ord, om de vill se hur donator- och acceptormolekylerna i solcellerna blandas och interagerar, de måste först skapa blandningen och producera prover som undersöks på molekylär nivå. De högpresterande solcellerna vi har nu, till exempel, skapades genom en arbetskrävande, försök-och-fel-tillvägagångssätt för att utveckla över 1, 000 materialkombinationer och tittar på de optimala bearbetningsförhållandena för var och en.
"Krafter mellan molekyler i en solcells lager styr hur mycket de kommer att blanda - om de är mycket interaktiva blandas de men om de är avskyvärda kommer de inte att säger Harald Ade, Goodnight Innovation Framstående professor i fysik vid NC State och motsvarande författare till uppsatsen. "Effektiva solceller är en känslig balans. Om domänerna blandas för mycket eller för lite, avgifterna kan inte separera eller skördas effektivt. Vi vet att attraktion och avstötning beror på temperatur, ungefär som socker som löser sig i kaffe - mättnaden, eller maximal blandning av sockret med kaffet, förbättras när temperaturen ökar. "
Ade, med postdoktor och första författare Long Ye från NC State och kemist He Yan från Hong Kong University of Science and Technology, bestämde sig för vid vilken temperatur dessa system omvandlas från två separata material till en homogen blandning i organiska solceller. Med hjälp av sekundär jonmasspektrometri och röntgenmikroskopi, laget kunde titta på molekylära interaktioner vid olika temperaturer för att se när fasförändringen sker. Röntgenspridning tillät dem att undersöka domänernas renhet. Slutresultatet var en parameter och kvantitativ modell som beskriver domänblandning som en funktion av temperaturen och som kan användas för att utvärdera olika blandningar.
"Vi räknade ut mättnadsnivån för" sockret i kaffet "som en funktion av temperaturen, "Ade säger." Denna parameter ger kemister systemets löslighetsgräns, vilket gör det möjligt för dem att bestämma vilken bearbetningstemperatur som ger optimal prestanda med det största bearbetningsfönstret. "
"Förr, människor studerade huvudsakligen denna parameter i system vid rumstemperatur med hjälp av grova approximationer. De kunde inte mäta det med precision och vid temperaturer som motsvarar bearbetningsförhållanden, som är mycket varmare, "säger Ye." Möjligheten att mäta och modellera denna parameter kommer också att ge värdefulla lärdomar om bearbetning och inte bara materialpar. I princip, vår metod kan göra detta för en given organisk blandning vid vilken temperatur som helst under tillverkningsprocessen. "
"För närvarande modifierar kemister en molekyl och använder försök för att se om det är ett bra material för solceller, men om de har fel bearbetningsförhållanden kan de sakna många bra material, "Ade säger." Vår parameter mäter mättnadsnivån så att de kan avgöra om materialsystemet är bra innan de tillverkar enheter. Vårt slutliga mål är att bilda en ram och en experimentell grund på vilken kemisk strukturell variation kan utvärderas genom simuleringar på datorn innan mödosam syntes försöker. "
