Framsteg inom ultratunna filmer har gjort solpaneler och halvledarenheter effektivare och billigare, och forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory säger att de har hittat ett sätt att tillverka filmerna lättare, för.

Vanligtvis filmerna - som används av organiska bulk heterojunction solceller, eller BHJ, att omvandla solenergi till elektricitet – skapas i en lösning genom att blanda samman konjugerade polymerer och fullerener, fotbollsliknande kolmolekyler även kända som buckyballs.

Nästa, blandningen centrifugeras på ett roterande underlag för att säkerställa enhetlighet, skickas sedan till efterbearbetning för att glödga. Att glödga materialet – uppvärmning och sedan kylning – minskar materialets hårdhet samtidigt som det ökar dess seghet, vilket gör det lättare att arbeta med.

Böjlighet gör BHJs mer tilltalande än deras mer kostsamma kristallina kiselmotsvarigheter, men glödgningsprocessen är tidskrävande.

Nu säger ORNL -forskare att ett enkelt lösningsmedel kan göra värmeutglödning till ett minne blott.

I ett samarbete mellan ORNL:s Spallation Neutron Source (SNS) och Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) – båda DOE Office of Science User Facilities – ledde postdoktorn Nuradhika Herath ett team av neutron- och materialforskare i en studie av morfologin, eller struktur, av BHJ -filmer.

"Att optimera en films morfologi är nyckeln till att förbättra enhetens prestanda, ", sa Herath. "Vad vi vill ta reda på är förhållandet mellan blandningsstrukturerna och fotovoltaisk prestanda." Att hitta sätt att ställa in filmens morfologi är lika viktigt som att svara på varför vissa filmmorfologier är mer gynnsamma än andra, tillade hon.

Forskare jämförde termisk glödgning med en metod som lägger till en liten mängd lösningsmedel som hjälper till att lösa upp fullerenerna i blandningen och hjälper till att göra filmens struktur mer enhetlig.

Tanken är att få den mest enhetliga blandningen av ljusabsorberande molekyler (t.ex. polymerer eller andra molekyler) och fullerener genom hela filmen. Om blandningen inte är jämn, kluster bildas och orsakar att passerande elektroner absorberas, försvagar filmens förmåga att transportera elektrisk ström, vilket i sin tur minskar enhetens prestanda.

Eftersom filmerna vanligtvis är cirka 100 nanometer tjocka (som jämförelse, ett människohår är ungefär 75, 000 nanometer i diameter) och kompositionens djupprofil är mycket komplex, Det behövs speciella instrument för att mäta materialets morfologi. För detta, forskare vände sig till neutronspridning.

Efter att ha blandat och centrifugerat två olika prover vid CNMS - ett glödgat, den andra med lösningsmedelstillsats—teamet lade båda filmerna under ögat av SNS:s Magnetism Reflectometer (MR), strållinje 4A. MR försåg dem med en exakt bild av strukturprofilerna, som avslöjade exakt hur polymererna och fullerenerna ordnade sig i båda filmerna. Skillnaden mellan dem var uppenbar.

Medan det glödgade provets morfologi tydligt visade signifikant skillnad mellan polymererna och fullerenerna, provet innehållande lösningsmedelstillsatsen var anmärkningsvärt konsekvent genomgående och presterade bättre.

"Anledningen är att när vi använder ett lösningsmedel istället för att glödga, provet torkar mycket långsamt, så det finns tillräckligt med tid för systemet att bli helt optimerat, " sa MR Lead Instrument Scientist Valeria Lauter. "Vi ser att ytterligare glödgning inte är nödvändig eftersom, på sätt och vis, systemet är redan så perfekt som det kan vara. "

Neutronreflektometri är en kraftfull metod eftersom den effektivt gör många material transparenta, Lauter förklarade. Istället för att söka efter nyckeln som öppnar den metaforiska svarta lådan som hindrar forskare från att se ett materials atomstruktur, hon säger, neutroner går helt enkelt rakt igenom den, ge forskare både kvalitativ och kvantitativ information om sitt problem.

Inte bara kommer informationen från neutroner att bidra till att effektivisera solcellens prestanda, men de kommer också att effektivisera processen för att tillverka dem. Att använda lösningsmedelstillsatser för att optimera morfologin hos BHJ-filmer kan förneka behovet av att investera mer i en mindre effektiv process – en tidsbesparing, pengar, och resurser.

"Dessutom, optimering av fotovoltaiska egenskaper ger information för att tillverka solceller med fullt kontrollerad morfologi och enhetsprestanda, ", sa Herath. "Dessa resultat kommer att hjälpa till att utveckla "idealiska" solceller, vilket får oss ett steg närmare att producera kommersialiserade enheter. "