Vooruitgang in ultradunne films hebben zonnepanelen en halfgeleiderapparaten efficiënter en goedkoper gemaakt, en onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy zeggen dat ze een manier hebben gevonden om de films gemakkelijker te maken, te.

Typisch de films - gebruikt door organische bulk heterojunctie zonnecellen, of BHJ's, om zonne-energie om te zetten in elektriciteit - worden gecreëerd in een oplossing door geconjugeerde polymeren en fullerenen te mengen, voetbalachtige koolstofmoleculen, ook wel buckyballs genoemd.

Volgende, het mengsel wordt spingegoten op een roterend substraat om uniformiteit te garanderen, vervolgens naar de nabewerking gestuurd om te worden gegloeid. Door het materiaal te gloeien - het te verwarmen en vervolgens af te koelen - wordt de hardheid van het materiaal verminderd en neemt de taaiheid toe, wat het makkelijker maakt om mee te werken.

De buigzaamheid maakt BHJ's aantrekkelijker dan hun duurdere tegenhangers van kristallijn silicium, maar het gloeiproces is tijdrovend.

Nu zeggen ORNL-onderzoekers dat een eenvoudig oplosmiddel thermisch gloeien tot het verleden kan maken.

In een samenwerking tussen ORNL's Spallation Neutron Source (SNS) en het Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) - beide DOE Office of Science User Facilities - leidde postdoctoraal onderzoeker Nuradhika Herath een team van neutronen- en materiaalwetenschappers in een onderzoek naar de morfologie, of structuur, van BHJ-films.

"Het optimaliseren van de morfologie van een film is de sleutel tot het verbeteren van de apparaatprestaties, "Zei Herath. "Wat we willen weten, is de relatie tussen de mengstructuren en fotovoltaïsche prestaties." Het vinden van manieren om de morfologie van de film af te stemmen, is net zo belangrijk als het beantwoorden van waarom bepaalde filmmorfologieën gunstiger zijn dan andere. voegde ze eraan toe.

Onderzoekers vergeleken thermisch gloeien met een methode die een kleine hoeveelheid oplosmiddel toevoegt die helpt bij het oplossen van de fullerenen in het mengsel en helpt om de structuur van de film uniformer te maken.

Het idee is om het meest uniforme mengsel van lichtabsorberende moleculen te krijgen (bijv. polymeren of andere moleculen) en fullerenen door de hele film heen. Als het mengsel niet uniform is, clusters vormen en zorgen ervoor dat passerende elektronen worden geabsorbeerd, verzwakking van het vermogen van de film om elektrische stroom te transporteren, wat op zijn beurt de prestaties van het apparaat vermindert.

Omdat de films doorgaans ongeveer 100 nanometer dik zijn (ter vergelijking:een mensenhaar is ongeveer 75, 000 nanometer in diameter) en het diepteprofiel van de compositie is zeer complex, speciale instrumenten zijn nodig om de morfologie van het materiaal te meten. Voor deze, onderzoekers wendden zich tot neutronenverstrooiing.

Na het mengen en spingieten van twee verschillende monsters bij CNMS - één uitgegloeid, de andere met oplosmiddeladditief - het team plaatste beide films onder het oog van SNS's Magnetism Reflectometer (MR), straallijn 4A. MR voorzag hen van een nauwkeurige weergave van de structurele profielen, die precies onthulde hoe de polymeren en fullerenen zich in beide films rangschikten. Het verschil tussen hen was duidelijk.

Terwijl de morfologie van het gegloeide monster duidelijk een significante scheiding vertoonde tussen de polymeren en fullerenen, het monster dat het oplosmiddeladditief bevatte, was overal opmerkelijk consistent en presteerde beter.

"De reden is dat wanneer we een oplosmiddel gebruiken in plaats van uitgloeien, het monster droogt zeer langzaam, zodat er genoeg tijd is om het systeem volledig te optimaliseren, " zei MR Lead Instrument Scientist Valeria Lauter. "We zien dat extra gloeien niet nodig is omdat, in zekere zin, het systeem is al zo perfect als het maar zijn kan."

Neutronenreflectometrie is een krachtige methode omdat het veel materialen effectief transparant maakt, Lauter uitgelegd. In plaats van te zoeken naar de sleutel die de metaforische zwarte doos opent die onderzoekers verhindert de atomaire structuur van een materiaal te zien, ze zegt, neutronen gaan er gewoon dwars doorheen, onderzoekers zowel kwalitatieve als kwantitatieve informatie geven over hun probleem.

Niet alleen zal de informatie die wordt verkregen uit neutronen helpen de efficiëntie van de prestaties van zonnecellen te verhogen, maar ze zullen ook het productieproces stroomlijnen. Het gebruik van oplosmiddeladditieven om de morfologie van BHJ-films te optimaliseren, zou de noodzaak om meer te investeren in een minder effectief proces teniet kunnen doen - een besparing van tijd, geld, en middelen.

"In aanvulling, optimalisatie van fotovoltaïsche eigenschappen biedt informatie om zonnecellen te vervaardigen met volledig gecontroleerde morfologie en apparaatprestaties, "Zei Herath. "Deze bevindingen zullen helpen bij het ontwikkelen van 'ideale' fotovoltaïsche, wat ons een stap dichter bij de productie van gecommercialiseerde apparaten brengt."