一个国际研究团队发现了一种新的定量关系，可以快速识别有机太阳能电池的有希望的材料组合。该发现可以通过减少寻找最有效混合物所花费的时间来显着减少太阳能电池生产的“反复试验”方面。该研究发表在Nature Materials上。
目前，致力于设计更有效的有机太阳能电池的化学家在很大程度上依赖于“死后”或制造后分析其产生的电池的组成材料的分布。换句话说，如果他们想要了解太阳能电池内的供体和受体分子如何混合和相互作用，他们必须首先制造混合物并生产在分子水平上检测的样品。例如，我们现在拥有的高性能太阳能电池是通过劳动密集型，反复试验的方法创建的，该方法开发了1,000多种材料组合，并查看每种材料的最佳加工条件。
“太阳能电池层内分子之间的力量决定了它们的混合程度 - 如果它们非常互动，它们会混合，但如果它们是排斥的，它们就不会，”北卡罗来纳州立大学物理学的Goodnight Innovation杰出教授Harald Ade说。该论文的作者。“高效的太阳能电池是一种微妙的平衡。如果域混合太多或太少，则电荷不能分离或有效收获。我们知道吸引力和排斥力取决于温度，就像糖溶解在咖啡中一样 - 饱和度，或糖与咖啡的最大混合，随着温度的升高而提高。
来自北卡罗来纳州立大学的博士后研究员和第一作者龙烨以及科技大学的化学家何燕，着手确定这些系统从两种不同的材料转变为有机太阳能电池中的一种均匀混合物。利用二次离子质谱和X射线显微镜，该团队能够观察不同温度下的分子相互作用，以确定何时发生相变。X射线散射允许它们检查域的纯度。最终结果是参数和定量模型，其描述了作为温度函数的域混合，并且可用于评估不同的混合物。
“我们发现'咖啡中糖'的饱和度与温度有关，”Ade说。“这个参数为化学家提供了系统的溶解度极限，这使他们能够确定哪个加工温度能够在最大的加工窗口内提供最佳性能。”
“在过去，人们主要使用原始近似值在室温下研究系统中的这个参数。他们无法精确地测量它，并且在与加工条件相对应的温度下进行测量，这些加工条件要热得多，“叶说。“测量和建模此参数的能力也将提供有关处理的宝贵经验，而不仅仅是材料对。原则上，我们的方法可以在制造过程中的任何温度下对给定的有机混合物进行此操作。“
“目前，化学家修改一种分子，并使用试验来判断它是否是太阳能电池的良好材料，但如果它们的加工条件错误，它们可能会错过很多优质材料，”Ade说。“我们的参数测量饱和度水平，以便他们可以在制造设备之前确定材料系统是否良好。我们的最终目标是形成一个框架和实验基础，在尝试艰苦的合成之前，可以通过计算机上的模拟评估化学结构变化。“
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