Ny tilgang kunne hurtigt identificere de bedste organiske solcelleblandinger

Et internationalt team af forskere har opdaget en ny kvantitativ relation, der giver mulighed for hurtig identifikation af lovende materialekombinationer til organiske solceller. Opdagelsen kan reducere "trial and error"-aspektet af solcelleproduktion markant ved at reducere tiden brugt på at finde de mest effektive blandinger. Forskningen vises i Naturmaterialer .

I øjeblikket, kemikere, der arbejder på at designe mere effektive organiske solceller, er stærkt afhængige af "post-mortem"- eller post-fabrikationsanalyse af fordelingen af ​​bestanddelene i de celler, de producerer. Med andre ord, hvis de vil se, hvordan donor- og acceptormolekylerne i solcellen blandes og interagerer, de skal først skabe blandingen og producere prøver, der undersøges på molekylært niveau. De højtydende solceller vi har nu, for eksempel, blev skabt gennem en arbejdskrævende, trial-and-error tilgang til at udvikle over 1, 000 materialekombinationer og ser på de optimale behandlingsbetingelser for hver enkelt.

"Kræfter mellem molekyler i en solcelles lag styrer, hvor meget de vil blande - hvis de er meget interaktive, vil de blande sig, men hvis de er frastødende, vil de ikke, siger Harald Ade, Goodnight Innovation Distinguished Professor of Physics ved NC State og tilsvarende forfatter til papiret. "Effektive solceller er en delikat balance. Hvis domænerne blandes for meget eller for lidt, ladningerne kan ikke adskilles eller høstes effektivt. Vi ved, at tiltrækning og frastødning afhænger af temperatur, meget som sukker, der opløses i kaffe - mætningen, eller maksimal blanding af sukkeret med kaffen, forbedres, når temperaturen stiger."

Ade, med postdoc-forsker og førsteforfatter Long Ye fra NC State og kemiker He Yan fra Hong Kong University of Science and Technology, satte sig for at bestemme ved hvilken temperatur disse systemer omdannes fra to separate materialer til en homogen blanding i organiske solceller. Ved at bruge sekundær ion massespektrometri og røntgenmikroskopi, holdet var i stand til at se på molekylære interaktioner ved forskellige temperaturer for at se, hvornår faseændringen indtræffer. Røntgenspredning gjorde det muligt for dem at undersøge renheden af ​​domænerne. Slutresultatet blev en parameter og kvantitativ model, der beskriver domæneblanding som funktion af temperatur, og som kan bruges til at evaluere forskellige blandinger.

"Vi fandt ud af mætningsniveauet af 'sukker i kaffen' som funktion af temperatur, " siger Ade. "Denne parameter giver kemikere systemets opløselighedsgrænse, som vil sætte dem i stand til at bestemme, hvilken behandlingstemperatur der vil give optimal ydeevne med det største behandlingsvindue."

"I fortiden, folk studerede hovedsageligt denne parameter i systemer ved stuetemperatur ved hjælp af grove tilnærmelser. De kunne ikke måle det med præcision og ved temperaturer svarende til procesbetingelser, som er meget varmere, " siger Ye. "Evnen til at måle og modellere denne parameter vil også tilbyde værdifulde lektioner om forarbejdning og ikke kun materialepar. I princippet, vores metode kan gøre dette for en given organisk blanding ved enhver temperatur under fremstillingsprocessen."

"I øjeblikket modificerer kemikere et molekyle og bruger forsøg for at se, om det er et godt materiale til solceller, men hvis de har de forkerte forarbejdningsbetingelser, kan de gå glip af en masse gode materialer, " Ade siger. "Vores parameter måler mætningsniveauet, så de kunne afgøre, om materialesystemet er godt, før de fremstiller enheder. Vores ultimative mål er at danne en ramme og et eksperimentelt grundlag, hvorpå kemisk strukturel variation kan evalueres ved simuleringer på computeren, før besværlig syntese forsøges."