Effektiviteten hos solceller beror på exakt konstruktion av polymerer som sätts samman till filmer 1, 000 gånger tunnare än ett människohår.

I dag, bildning av den polymerenheten kräver lösningsmedel som kan skada miljön, men forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har hittat ett "grönare" sätt att styra sammansättningen av fotovoltaiska polymerer i vatten med hjälp av ett ytaktivt ämne - en tvättmedelsliknande molekyl - som mall. Deras resultat redovisas i Nanoskala .

"Självsammansättning av polymerer med användning av ytaktiva ämnen ger enorm potential vid tillverkning av nanostrukturer med molekylär nivåkontrollerbarhet, " sa seniorförfattaren Changwoo Do, en forskare vid ORNL:s Spallation Neutron Source (SNS).

Forskarna använde tre DOE Office of Science User Facilities - Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) och SNS vid ORNL och Advanced Photon Source (APS) vid Argonne National Laboratory - för att syntetisera och karakterisera polymererna.

"Spridning av neutroner och röntgenstrålar är en perfekt metod för att undersöka dessa strukturer, " sa Do.

Studien visar värdet av att spåra molekylär dynamik med både neutroner och optiska sonder.

"Vi skulle vilja skapa mycket specifik polymerstapling i lösning och översätta det till tunna filmer där felfria, defektfria polymerenheter skulle möjliggöra snabb transport av elektriska laddningar för fotovoltaiska applikationer, sade Ilia Ivanov, en forskare vid CNMS och en motsvarande författare med Do. "Vi visade att detta kan uppnås genom förståelse av kinetiska och termodynamiska mekanismer som styr polymeraggregationen."

Prestationen skapar molekylära byggstenar för design av optoelektroniska och sensoriska material. Det innebar design av en halvledande polymer med en hydrofob ("vattenrädd") ryggrad och hydrofila ("vattenälskande") sidokedjor. De vattenlösliga sidokedjorna skulle kunna tillåta "grön" bearbetning om ansträngningen producerade en polymer som kunde självmontera till ett organiskt fotovoltaiskt material. Forskarna lade till polymeren till en vattenlösning innehållande en ytaktiv molekyl som också har hydrofoba och hydrofila ändar. Beroende på temperatur och koncentration, det ytaktiva medlet självmonteras till olika mallar som styr polymeren att packas i olika nanoskala former - hexagoner, sfäriska miceller och ark.

I den halvledande polymeren, atomer är organiserade för att enkelt dela elektroner. Arbetet ger insikt i polymersystemets olika strukturella faser och tillväxten av sammansättningar av upprepade former för att bilda funktionella kristaller. Dessa kristaller utgör grunden för de fotovoltaiska tunna filmerna som ger kraft i miljöer lika krävande som öknar och yttre rymden.

"Rationell kodning av molekylära interaktioner för att styra den molekylära geometrin och den intermolekylära packningsordningen i en lösning av konjugerade polymerer är länge önskvärt inom optoelektronik och nanoteknik, sa tidningens första författare, postdoktor Jiahua Zhu. "Utvecklingen hindras i huvudsak av svårigheten att karakterisera in situ."

På plats, eller "på plats, " mätningar görs medan ett fenomen (som en förändring i molekylär morfologi) inträffar. De kontrasterar mot mätningar som görs efter att materialet isolerats från systemet där fenomenet sågs eller ändrat testförhållandena under vilka fenomenet först observerades. teamet utvecklade en testkammare som gör att de kan använda optiska sonder medan förändringar inträffar.

Neutroner kan sondera strukturer i lösningar

Expertis och utrustning på SNS, som ger de mest intensiva pulsade neutronstrålarna i världen, gjort det möjligt att upptäcka att en funktionell solcellspolymer kunde självmontera i ett miljövänligt lösningsmedel. Effektiviteten av neutronspridningen förbättrades, i tur och ordning, med en teknik som kallas selektiv deuteration, där specifika väteatomer i polymererna ersätts med tyngre atomer av deuterium - vilket har effekten att öka kontrasterna i strukturen. CNMS har en specialitet inom den senare tekniken.

"Vi behövde kunna se vad som händer med dessa molekyler när de utvecklas med tiden från ett lösningstillstånd till ett fast tillstånd, ", sa författaren Bobby Sumpter från CNMS. "Detta är väldigt svårt att göra, men för molekyler som polymerer och biomolekyler, neutroner är några av de bästa sonderna du kan föreställa dig." Informationen de ger vägleder design av avancerade material.

Genom att kombinera expertis inom ämnen inklusive neutronspridning, dataanalys med hög genomströmning, teori, modellering och simulering, forskarna utvecklade en testkammare för att övervaka fasövergångar när de inträffade. Den spårar molekyler under förhållanden med växlande temperatur, tryck, fuktighet, ljus, lösningsmedelskomposition och liknande, tillåta forskare att bedöma hur arbetsmaterial förändras över tid och hjälpa ansträngningar att förbättra deras prestanda.

Forskare placerar ett prov i kammaren och transporterar det till olika instrument för mätningar. Kammaren har en transparent yta för att tillåta inträde av laserstrålar till sondmaterial. Sondlägen – inklusive fotoner, elektrisk laddning, magnetiskt spinn och beräkningar med hjälp av högpresterande beräkningar – kan arbeta samtidigt för att karakterisera materia under ett brett spektrum av förhållanden. Kammaren är utformad för att göra det möjligt, i framtiden, att använda neutroner och röntgenstrålar som ytterligare och komplementära sonder.

"Införlivande av in situ-tekniker ger information om kinetiska och termodynamiska aspekter av materialtransformationer i lösningar och tunna filmer där struktur mäts samtidigt med deras förändrade optoelektroniska funktionalitet, ", sa Ivanov. "Det öppnar också en möjlighet att studera färdigmonterade solceller såväl som metastabila strukturer, vilket kan leda till unika egenskaper hos framtida funktionella material."

Medan den aktuella studien undersökte fasövergångar (dvs. metastabila tillstånd och kemiska reaktioner) vid ökande temperaturer, nästa in situ diagnostik kommer att karakterisera dem vid högt tryck. Dessutom, forskarna kommer att implementera neurala nätverk för att analysera komplexa olinjära processer med flera återkopplingar.

Titeln på uppsatsen i nanoskala är "Kontrollera molekylär ordning i lösningstillståndskonjugerade polymerer."