В настоящее время химики, работающие над созданием более эффективных органических солнечных элементов, в значительной степени полагаются на «посмертный» или постпроизводственный анализ распределения составляющих материалов элементов, которые они производят. Другими словами, если они хотят увидеть, как молекулы донора и акцептора в солнечном элементе смешиваются и взаимодействуют, они должны сначала создать смесь и произвести образцы, которые исследуются на молекулярном уровне. Например, высокоэффективные солнечные элементы, которые у нас есть сейчас, были созданы с помощью трудоемкого подхода методом проб и ошибок, заключающегося в разработке более 1000 комбинаций материалов и поиске оптимальных условий обработки для каждого из них.«Силы между молекулами в слоях солнечного элемента определяют, насколько они будут смешиваться — если они очень интерактивны, они будут смешиваться, но если они будут отталкивающими, они не будут», — говорит Харальд Аде, заслуженный профессор физики Goodnight Innovation в NC State и корреспондент статьи. «Эффективные солнечные элементы — это тонкий баланс.
Если домены смешиваются слишком много или слишком мало, заряды не могут быть эффективно разделены или собраны. Мы знаем, что притяжение и отталкивание зависят от температуры, так же как растворение сахара в кофе — насыщение , или максимальное смешивание сахара с кофе, улучшается с повышением температуры ".
Адэ вместе с докторантом и первым автором Лонг Йе из штата Северная Каролина и химиком Хэ Яном из Гонконгского университета науки и технологий задались целью определить, при какой температуре эти системы превращаются из двух отдельных материалов в одну гомогенную смесь в органических солнечных элементах. Используя вторичную ионную масс-спектрометрию и рентгеновскую микроскопию, команда смогла изучить молекулярные взаимодействия при разных температурах, чтобы увидеть, когда происходит фазовый переход. Рассеяние рентгеновских лучей позволило им проверить чистоту доменов.
Конечным результатом была параметрическая и количественная модель, которая описывает смешение доменов как функцию температуры и которую можно использовать для оценки различных смесей.«Мы выяснили степень насыщения« сахара в кофе »в зависимости от температуры», — говорит Адэ. «Этот параметр дает химикам предел растворимости системы, который позволит им определить, какая температура обработки даст оптимальную производительность с самым большим интервалом обработки».«В прошлом люди в основном изучали этот параметр в системах при комнатной температуре, используя грубые приближения.
Они не могли измерить его с точностью и при температурах, соответствующих условиям обработки, которые намного выше», — говорит Е. «Возможность измерить и смоделировать этот параметр также даст ценные уроки об обработке, а не только о парах материалов. В принципе, наш метод может сделать это для данной органической смеси при любой температуре во время производственного процесса».
«В настоящее время химики модифицируют молекулу и проводят испытания, чтобы убедиться, что это хороший материал для солнечных элементов, но если у них будут неправильные условия обработки, они могут упустить много хороших материалов», — говорит Аде. «Наш параметр измеряет уровень насыщения, чтобы они могли определить, является ли система материалов хорошей, прежде чем они будут производить устройства. Наша конечная цель — сформировать основу и экспериментальную основу, на которой химические структурные вариации могут быть оценены путем моделирования на компьютере, прежде чем будет проведен трудоемкий синтез. попытка ".