Een internationaal team van onderzoekers heeft een nieuwe kwantitatieve relatie ontdekt waarmee veelbelovende materiaalcombinaties voor organische zonnecellen snel kunnen worden geïdentificeerd. De ontdekking zou het "trial-and-error"-aspect van de productie van zonnecellen aanzienlijk kunnen verminderen door de tijd die wordt besteed aan het vinden van de meest efficiënte mengsels te verminderen. Het onderzoek verschijnt in Natuurmaterialen .

momenteel, scheikundigen die werken aan het ontwerpen van efficiëntere organische zonnecellen, zijn sterk afhankelijk van "post-mortem" of post-fabricage-analyse van de distributie van de samenstellende materialen van de cellen die ze produceren. Met andere woorden, als ze willen zien hoe de donor- en acceptormoleculen in de zonnecel zich vermengen en op elkaar inwerken, ze moeten eerst het mengsel maken en monsters maken die op moleculair niveau worden onderzocht. De hoogwaardige zonnecellen die we nu hebben, bijvoorbeeld, zijn ontstaan ​​door een arbeidsintensief, trial-and-error benadering van het ontwikkelen van meer dan 1, 000 materiaalcombinaties en kijken naar de optimale verwerkingsomstandigheden voor elk ervan.

"Krachten tussen moleculen in de lagen van een zonnecel bepalen hoeveel ze zullen mengen - als ze erg interactief zijn, zullen ze mengen, maar als ze afstotend zijn, zullen ze dat niet doen, " zegt Harald Ade, Goodnight Innovation Distinguished Professor of Physics bij NC State en corresponderende auteur van het artikel. "Efficiënte zonnecellen zijn een delicaat evenwicht. Als de domeinen te veel of te weinig mengen, de ladingen kunnen niet worden gescheiden of effectief worden geoogst. We weten dat aantrekking en afstoting afhankelijk zijn van temperatuur, net als suiker die oplost in koffie - de verzadiging, of maximale vermenging van de suiker met de koffie, verbetert naarmate de temperatuur stijgt."

Ade, met postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur Long Ye van NC State en chemicus He Yan van de Hong Kong University of Science and Technology, uiteengezet om te bepalen bij welke temperatuur deze systemen transformeren van twee afzonderlijke materialen naar één homogeen mengsel in organische zonnecellen. Gebruikmakend van secundaire ionenmassaspectrometrie en röntgenmicroscopie, het team was in staat om moleculaire interacties bij verschillende temperaturen te bekijken om te zien wanneer de faseverandering optreedt. Door röntgenverstrooiing konden ze de zuiverheid van de domeinen onderzoeken. Het eindresultaat was een parameter- en kwantitatief model dat domeinmenging beschrijft als een functie van temperatuur en dat kan worden gebruikt om verschillende mengsels te evalueren.

"We hebben het verzadigingsniveau van de 'suiker in de koffie' berekend als een functie van temperatuur, " zegt Ade. "Deze parameter geeft scheikundigen de oplosbaarheidslimiet van het systeem, waarmee ze kunnen bepalen welke verwerkingstemperatuur optimale prestaties geeft met het grootste verwerkingsvenster."

"Vroeger, mensen bestudeerden deze parameter voornamelijk in systemen bij kamertemperatuur met behulp van ruwe benaderingen. Ze konden het niet met precisie meten en bij temperaturen die overeenkomen met de verwerkingsomstandigheden, die veel heter zijn, " zegt Ye. "De mogelijkheid om deze parameter te meten en te modelleren, zal ook waardevolle lessen opleveren over verwerking en niet alleen over materiaalparen. In principe, onze methode kan dit doen voor een bepaald organisch mengsel bij elke temperatuur tijdens het productieproces."

"Momenteel modificeren scheikundigen een molecuul en gebruiken ze proeven om te zien of het een goed materiaal is voor zonnecellen, maar als ze de verkeerde verwerkingsomstandigheden hebben, kunnen ze veel goede materialen missen, "zegt Ade. "Onze parameter meet het verzadigingsniveau, zodat ze kunnen bepalen of het materiaalsysteem goed is voordat ze apparaten maken. Ons uiteindelijke doel is om een ​​raamwerk en experimentele basis te vormen waarop chemische structurele variatie kan worden geëvalueerd door simulaties op de computer voordat moeizame synthese wordt geprobeerd."