一個國際研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種新的定量關(guān)系，可以快速識別有機(jī)太陽能電池的有希望的材料組合。該發(fā)現(xiàn)可以通過減少尋找最有效混合物所花費(fèi)的時間來顯著減少太陽能電池生產(chǎn)的“反復(fù)試驗(yàn)”方面。該研究發(fā)表在Nature Materials上。

目前，致力于設(shè)計更有效的有機(jī)太陽能電池的化學(xué)家在很大程度上依賴于“死后”或制造后分析其產(chǎn)生的電池的組成材料的分布。換句話說，如果他們想要了解太陽能電池內(nèi)的供體和受體分子如何混合和相互作用，他們必須首先制造混合物并生產(chǎn)在分子水平上檢測的樣品。例如，我們現(xiàn)在擁有的高性能太陽能電池是通過勞動密集型，反復(fù)試驗(yàn)的方法創(chuàng)建的，該方法開發(fā)了1,000多種材料組合，并查看每種材料的最佳加工條件。

“太陽能電池層內(nèi)分子之間的力量決定了它們的混合程度 - 如果它們非常具有交互性，它們會混合，但如果它們是排斥性的，它們就不會混合，”北卡羅來納州立大學(xué)物理學(xué)的Goodnight Innovation杰出教授Harald Ade說道。該論文的通訊作者。“高效的太陽能電池是一種微妙的平衡。如果這些區(qū)域混合得太多或太少，電荷就無法分離或被有效收獲。我們知道吸引力和排斥力取決于溫度，就像糖溶解在咖啡中一樣 - 飽和度，或者糖與咖啡的最大混合，隨著溫度的升高而改善。“

來自北卡羅來納州立大學(xué)的博士后研究員和第一作者龍燁以及香港科技大學(xué)的化學(xué)家何燕，著手確定這些系統(tǒng)從兩種不同的材料轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)太陽能電池中的一種均勻混合物。利用二次離子質(zhì)譜和X射線顯微鏡，該團(tuán)隊能夠觀察不同溫度下的分子相互作用，以確定何時發(fā)生相變。X射線散射允許它們檢查域的純度。最終結(jié)果是參數(shù)和定量模型，其描述了作為溫度函數(shù)的域混合，并且可用于評估不同的混合物。

“我們發(fā)現(xiàn)'咖啡中糖'的飽和度與溫度有關(guān)，”Ade說。“這個參數(shù)為化學(xué)家提供了系統(tǒng)的溶解度極限，這使他們能夠確定哪個加工溫度能夠在最大的加工窗口內(nèi)提供最佳性能。”

“在過去，人們主要使用原始近似值在室溫下研究這個參數(shù)。他們無法精確測量它，并且在與加工條件相對應(yīng)的溫度下，這些溫度要高得多，”Ye說。“測量和建模該參數(shù)的能力也將提供有關(guān)加工的寶貴經(jīng)驗(yàn)，而不僅僅是材料對。原則上，我們的方法可以在制造過程中的任何溫度下對給定的有機(jī)混合物進(jìn)行此操作。”

“目前，化學(xué)家修改一種分子，并使用試驗(yàn)來判斷它是否是太陽能電池的良好材料，但如果它們的加工條件錯誤，它們可能會錯過許多優(yōu)質(zhì)材料，”Ade說。“我們的參數(shù)測量飽和度水平，因此他們可以在制造設(shè)備之前確定材料系統(tǒng)是否良好。我們的最終目標(biāo)是形成一個框架和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，可以在繁重的合成之前通過計算機(jī)上的模擬評估化學(xué)結(jié)構(gòu)變化。嘗試“。