Molekylære tilsætningsstoffer forbedrer de mekaniske egenskaber af organisk solcellemateriale

Organiske solceller er ideelle til brug i fleksibel elektronik på grund af den iboende formbare natur af halvledende polymerer. Nyere forskning om samspillet mellem behandling, termodynamik og mekanisk stabilitet af typiske fotoaktive lag i organiske celler giver en dybere forståelse af disse højpotentiale materialer.

Ganesh Balasubramanian, P.C. Rossin assisterende professor i Mechanical Engineering &Mechanics ved Lehigh University, og hans kandidatstuderende Joydeep Munshi satte sig for nylig for at forstå, hvor stabile disse materialer er, når de deformeres, og om de lovende egenskaber kan realiseres under hårde belastningsforhold, når solcellerne kan blive udsat for strækning og kompression. Gennem beregningseksperimenter ved hjælp af ledelsesklassens computerressourcer i Frontera, holdet demonstrerede, at tilføjelse af små molekyler til den halvledende polymerblanding forbedrer ydeevnen og stabiliteten af ​​materiale, der bruges i organiske solceller. De forudsiger, at dette også er sandt for organisk solcellemateriale mere generelt.

Undersøgelsen er beskrevet i en artikel, "Elasto-morfologi af P3HT:PCBM bulk heterojunction organiske solceller" vist på bagsiden af Blødt stof . Yderligere forfattere inkluderer:professorer TeYu Chien ved University of Wyoming og Wei Chen, ved Northwestern University.

"Baseret på tidligere litteratur, vi forventede, at variationer i materialebehandlingsparametrene ville påvirke strukturen såvel som de termiske og mekaniske egenskaber af disse solceller, " siger Balasubramanian. "Men, opdagelsen af, at tilstedeværelsen af ​​små molekylære additiver kan øge de mekaniske egenskaber, er ny viden opnået fra dette arbejde."

Teamet demonstrerede, at ud over den sol-til-elektriske energikonverteringseffektivitet, den mekaniske stabilitet og fleksibilitet af typiske organiske solceller er væsentligt påvirket af tilstedeværelsen af ​​molekylære additiver.

"Dette kan vise sig at være afgørende for kommercialiseringen af ​​organiske solceller, " siger Balasubramanian.

Resultaterne blev opnået ved at udføre molekylære simuleringer i stor skala i supercomputeren Frontera, placeret på Texas Advanced Computing Center (TACC) ved University of Texas i Austin), som er verdens hurtigste akademiske supercomputer. Forudsigelserne bestod af deformationsmekanismerne af polymerblandingen under spændingsbetingelser samt undersøgelse af materialets struktur/morfologi ved belastning. Balasubramanians team har været blandt de første til at bruge Frontera.

Mens lignende fremgangsmåder er blevet overvejet til undersøgelse af egenskaberne af organiske fotovoltaiske materialer, korrelationen mellem materialestrukturen og de elastiske egenskaber ikke var blevet gjort før, ifølge Balasubramanian. Ved at tilføje molekylære additiver til de polymere blandinger, avancerede solenergimaterialer og -enheder kan fremstilles, der opretholder ekstreme driftsbelastninger og samtidig leverer overlegen ydeevne.

Han tilføjer:"Forskningen har potentiale til at give nye retninger for videnskabelig praksis inden for dette felt af materiale- og energiforskning."