Un team internazionale di ricercatori ha scoperto una nuova relazione quantitativa che consente di identificare rapidamente combinazioni di materiali promettenti per le celle solari organiche. La scoperta potrebbe ridurre significativamente l'aspetto "prova ed errore" della produzione di celle solari riducendo il tempo impiegato per trovare le miscele più efficienti. La ricerca appare in Materiali della natura .
Attualmente, i chimici che lavorano per progettare celle solari organiche più efficienti fanno molto affidamento sull'analisi "post mortem" o post-produzione della distribuzione dei materiali costitutivi delle celle che producono. In altre parole, se vogliono vedere come le molecole donatrice e accettore all'interno della cella solare si mescolano e interagiscono, devono prima creare la miscela e produrre campioni che vengono esaminati a livello molecolare. Le celle solari ad alte prestazioni che abbiamo ora, Per esempio, sono stati creati attraverso un lavoro ad alta intensità di lavoro, approccio per tentativi ed errori di sviluppo su 1, 000 combinazioni di materiali e osservando le condizioni di lavorazione ottimali per ognuna.
"Le forze tra le molecole all'interno degli strati di una cella solare determinano quanto si mescoleranno:se sono molto interattive si mescoleranno ma se sono repulsive non lo faranno, "dice Harald Ade, Goodnight Innovation Distinguished Professor di Fisica presso NC State e corrispondente autore dell'articolo. "Le celle solari efficienti sono un delicato equilibrio. Se i domini si mescolano troppo o troppo poco, le cariche non possono separarsi o essere raccolte in modo efficace. Sappiamo che attrazione e repulsione dipendono dalla temperatura, proprio come lo zucchero che si scioglie nel caffè - la saturazione, o miscelazione massima dello zucchero con il caffè, migliora con l'aumentare della temperatura."
Ade, con il ricercatore post-dottorato e primo autore Long Ye dell'NC State e il chimico He Yan dell'Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong, hanno deciso di determinare a quale temperatura questi sistemi si trasformano da due materiali separati in una miscela omogenea in celle solari organiche. Utilizzando la spettrometria di massa di ioni secondari e la microscopia a raggi X, il team è stato in grado di esaminare le interazioni molecolari a diverse temperature per vedere quando si verifica il cambiamento di fase. La diffusione dei raggi X ha permesso loro di esaminare la purezza dei domini. Il risultato finale è stato un parametro e un modello quantitativo che descrive la miscelazione del dominio in funzione della temperatura e che può essere utilizzato per valutare diverse miscele.
"Abbiamo calcolato il livello di saturazione dello 'zucchero nel caffè' in funzione della temperatura, " dice Ade. "Questo parametro fornisce ai chimici il limite di solubilità del sistema, che consentirà loro di determinare quale temperatura di lavorazione darà prestazioni ottimali con la più ampia finestra di lavorazione."
"Nel passato, le persone hanno studiato principalmente questo parametro in sistemi a temperatura ambiente utilizzando approssimazioni grezze. Non potevano misurarlo con precisione e a temperature corrispondenti alle condizioni di lavorazione, che sono molto più calde, " afferma Ye. "La capacità di misurare e modellare questo parametro offrirà anche preziose lezioni sulla lavorazione e non solo sulle coppie di materiali. In linea di principio, il nostro metodo può farlo per una data miscela organica a qualsiasi temperatura durante il processo di produzione".
"Attualmente i chimici modificano una molecola e usano prove per vedere se è un buon materiale per le celle solari, ma se hanno le condizioni di lavorazione sbagliate potrebbero perdere molti buoni materiali, " Ade dice. "Il nostro parametro misura il livello di saturazione in modo che possano determinare se il sistema materiale è buono prima di fabbricare i dispositivi. Il nostro obiettivo finale è quello di formare un quadro e una base sperimentale su cui la variazione strutturale chimica possa essere valutata mediante simulazioni al computer prima di tentare una laboriosa sintesi".
