Opløsningsmidler sparer trin i solcellefremstilling

Fremskridt inden for ultratynde film har gjort solpaneler og halvlederenheder mere effektive og billigere, og forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory siger, at de har fundet en måde at fremstille filmene lettere på, også.

Typisk filmene - brugt af organiske bulk heterojunction solceller, eller BHJ'er, at omdanne solenergi til elektricitet - skabes i en opløsning ved at blande sammen konjugerede polymerer og fullerener, fodboldlignende kulstofmolekyler også kendt som buckyballs.

Næste, blandingen spindestøbes på et roterende underlag for at sikre ensartethed, derefter sendt til efterbehandling for at blive udglødet. Udglødning af materialet - opvarmning og afkøling af det - reducerer materialets hårdhed, mens det øger dets sejhed, hvilket gør det nemmere at arbejde med.

Smidighed gør BHJ'er mere tiltalende end deres dyrere krystallinske siliciummodstykker, men udglødningsprocessen er tidskrævende.

Nu siger ORNL-forskere, at et simpelt opløsningsmiddel kan gøre termisk udglødning til fortiden.

I et samarbejde mellem ORNL's Spallation Neutron Source (SNS) og Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) - begge DOE Office of Science User Facilities - ledede postdoc-forsker Nuradhika Herath et team af neutron- og materialeforskere i en undersøgelse af morfologien, eller struktur, af BHJ-film.

"Optimering af en films morfologi er nøglen til at forbedre enhedens ydeevne, " sagde Herath. "Det, vi ønsker at finde ud af, er forholdet mellem blandingsstrukturerne og fotovoltaisk ydeevne." At finde måder at tune filmens morfologi på er lige så vigtigt som at svare på, hvorfor visse filmmorfologier er mere gunstige end andre, tilføjede hun.

Forskere sammenlignede termisk udglødning med en metode, der tilføjer en lille mængde opløsningsmiddel, der hjælper med at opløse fullerenerne i blandingen og hjælper med at gøre filmens struktur mere ensartet.

Idéen er at få den mest ensartede blanding af lysabsorberende molekyler (f.eks. polymerer eller andre molekyler) og fullerener gennem hele filmen. Hvis blandingen ikke er ensartet, klynger dannes og får passerende elektroner til at blive absorberet, svække filmens evne til at transportere elektrisk strøm, hvilket igen reducerer enhedens ydeevne.

Fordi filmene typisk er omkring 100 nanometer tykke (til sammenligning, et menneskehår er omkring 75, 000 nanometer i diameter), og sammensætningens dybdeprofil er meget kompleks, specielle instrumenter er nødvendige for at måle materialets morfologi. For det, forskere vendte sig mod neutronspredning.

Efter blanding og centrifugering af to forskellige prøver ved CNMS - den ene udglødet, den anden med opløsningsmiddeladditiv - holdet satte begge film under øjet på SNS's Magnetism Reflectometer (MR), strålelinje 4A. MR gav dem en nøjagtig afbildning af de strukturelle profiler, som afslørede præcis, hvordan polymererne og fullerenerne arrangerede sig i begge film. Forskellen mellem dem var tydelig.

Mens den udglødede prøves morfologi tydeligt viste signifikant adskillelse mellem polymererne og fullerenerne, prøven indeholdende opløsningsmiddeladditivet var bemærkelsesværdigt konsistent hele vejen igennem og fungerede bedre.

"Årsagen er, at når vi bruger et opløsningsmiddel i stedet for udglødning, prøven tørrer meget langsomt, så der er tid nok til, at systemet bliver fuldt optimeret, " sagde MR Lead Instrument Scientist Valeria Lauter. "Vi ser, at yderligere udglødning ikke er nødvendig, fordi, i en vis forstand, systemet er allerede så perfekt, som det kan være."

Neutronreflektometri er en kraftfuld metode, fordi den effektivt gør mange materialer gennemsigtige, Lauter forklarede. I stedet for at søge efter nøglen, der åbner den metaforiske sorte boks, der forhindrer forskere i at se et materiales atomare struktur, hun siger, neutroner går simpelthen lige igennem det, give forskere både kvalitativ og kvantitativ information om deres problemstilling.

Ikke kun vil informationen fra neutroner bidrage til at øge effektiviteten af ​​solcellernes ydeevne, men de vil også strømline processen med at fremstille dem. Brug af opløsningsmiddeladditiver til at optimere morfologien af ​​BHJ-film kunne ophæve behovet for at investere mere i en mindre effektiv proces - en tidsbesparelse, penge, og ressourcer.

"Ud over, optimering af fotovoltaiske egenskaber giver information til fremstilling af solceller med fuldt kontrolleret morfologi og enhedsydelse, " sagde Herath. "Disse resultater vil hjælpe med at udvikle 'ideelle' solceller, hvilket bringer os et skridt tættere på at producere kommercialiserede enheder."