Organische zonnecellen zijn ideaal voor gebruik in flexibele elektronica vanwege de inherent kneedbare aard van halfgeleidende polymeren. Recent onderzoek naar de wisselwerking tussen verwerking, thermodynamica en mechanische stabiliteit van typische fotoactieve lagen in organische cellen zorgen voor een dieper begrip van deze materialen met een hoog potentieel.

Ganesh Balasubramanian, pc Rossin-assistent-professor Werktuigbouwkunde &Mechanica aan de Lehigh University, en zijn afgestudeerde student Joydeep Munshi hebben onlangs geprobeerd te begrijpen hoe stabiel deze materialen zijn wanneer ze worden vervormd, en of de veelbelovende eigenschappen kunnen worden gerealiseerd onder zware belastingsomstandigheden wanneer de zonnecellen onderhevig kunnen zijn aan rek en compressie. Door computationele experimenten met behulp van de computerbronnen van de leiderschapsklasse in Frontera, het team toonde aan dat het toevoegen van kleine moleculen aan het halfgeleidende polymeermengsel de prestaties en stabiliteit van materiaal dat in organische zonnecellen wordt gebruikt, verbetert. Ze voorspellen dat dit meer in het algemeen ook geldt voor organisch zonnecelmateriaal.

Het onderzoek wordt beschreven in een artikel, "Elasto-morfologie van P3HT:PCBM bulk heterojunction organische zonnecellen" op de achterkant van Zachte materie . Andere auteurs zijn:professoren TeYu Chien aan de Universiteit van Wyoming en Wei Chen, aan de Northwestern University.

"Op basis van eerdere literatuur, we verwachtten dat variaties in de materiaalverwerkingsparameters de structuur en de thermische en mechanische eigenschappen van deze zonnecellen zouden beïnvloeden, " zegt Balasubramanian. "Echter, de bevinding dat de aanwezigheid van kleine moleculaire additieven de mechanische eigenschappen kan verbeteren, is nieuwe kennis die uit dit werk is opgedaan."

Het team toonde aan dat naast de efficiëntie van de omzetting van zonne-energie naar elektriciteit, de mechanische stabiliteit en flexibiliteit van typische organische zonnecellen wordt aanzienlijk beïnvloed door de aanwezigheid van moleculaire additieven.

"Dit zou cruciaal kunnen zijn voor de commercialisering van organische zonnecellen, ' zegt Balasubramanian.

De resultaten werden bereikt door grootschalige moleculaire simulaties uit te voeren in de supercomputer Frontera, gevestigd in het Texas Advanced Computing Center (TACC) aan de Universiteit van Texas in Austin), dat is 's werelds snelste academische supercomputer. De voorspellingen bestonden uit de vervormingsmechanismen van het polymeermengsel onder belasting en het onderzoeken van de structuur/morfologie van het materiaal bij belasting. Het team van Balasubramanian was een van de eersten die Frontera gebruikten.

Hoewel vergelijkbare benaderingen zijn overwogen voor het onderzoeken van de eigenschappen van organische fotovoltaïsche materialen, de correlatie tussen de materiaalstructuur en elastische eigenschappen was nog niet eerder gedaan, volgens Balasubramanian. Door moleculaire additieven toe te voegen aan de polymere mengsels, geavanceerde materialen en apparaten voor zonne-energie kunnen worden gefabriceerd die extreme operationele stress-strain-omstandigheden aankunnen en tegelijkertijd superieure prestaties leveren.

Hij voegt eraan toe:"Het onderzoek heeft het potentieel om nieuwe richtingen te geven aan wetenschappelijke praktijken op dit gebied van materiaal- en energieonderzoek."