I progressi nei film ultrasottili hanno reso i pannelli solari e i dispositivi a semiconduttore più efficienti e meno costosi, e i ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia affermano di aver trovato un modo per produrre i film più facilmente, pure.

Tipicamente i film, usati dalle celle solari organiche a eterogiunzione bulk, o BHJ, per convertire l'energia solare in elettricità, vengono creati in una soluzione mescolando polimeri coniugati e fullereni, molecole di carbonio simili a palloni da calcio note anche come buckyballs.

Prossimo, la miscela viene centrifugata su un substrato rotante per garantire l'uniformità, quindi inviato alla post-elaborazione per essere ricotto. La ricottura del materiale, riscaldandolo e poi raffreddandolo, riduce la durezza del materiale aumentandone la tenacità, che rende più facile lavorare con.

La flessibilità rende i BHJ più attraenti rispetto alle loro controparti in silicio cristallino più costose, ma il processo di ricottura richiede tempo.

Ora i ricercatori dell'ORNL affermano che un semplice solvente può rendere la ricottura termica un ricordo del passato.

In una collaborazione tra la Spallation Neutron Source (SNS) dell'ORNL e il Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), entrambi DOE Office of Science User Facilities, il ricercatore post-dottorato Nuradhika Herath ha guidato un team di scienziati dei neutroni e dei materiali in uno studio sulla morfologia, o struttura, dei film di BHJ.

"Ottimizzare la morfologia di un film è la chiave per migliorare le prestazioni del dispositivo, " ha detto Herath. "Quello che vogliamo scoprire è la relazione tra le strutture di fusione e le prestazioni fotovoltaiche". Trovare modi per regolare la morfologia del film è importante quanto rispondere al motivo per cui alcune morfologie del film sono più favorevoli di altre, lei ha aggiunto.

I ricercatori hanno confrontato la ricottura termica con un metodo che aggiunge una piccola quantità di solvente che aiuta a dissolvere i fullereni all'interno della miscela e contribuisce a rendere più uniforme la struttura del film.

L'idea è di ottenere la miscela più uniforme di molecole che assorbono la luce (ad es. polimeri o altre molecole) e fullereni in tutto il film. Se la miscela non è uniforme, i cluster si formano e fanno assorbire gli elettroni in transito, indebolendo la capacità del film di trasportare corrente elettrica, che a sua volta riduce le prestazioni del dispositivo.

Poiché i film hanno in genere uno spessore di circa 100 nanometri (per confronto, un capello umano è di circa 75, 000 nanometri di diametro) e il profilo di profondità della composizione è molto complesso, sono necessari strumenti speciali per misurare la morfologia del materiale. Per questo, i ricercatori si sono rivolti allo scattering di neutroni.

Dopo la miscelazione e la centrifugazione di due campioni diversi al CNMS:uno ricotto, l'altro con un additivo solvente:il team ha messo entrambi i film sotto l'occhio del Magnetism Reflectometer (MR) di SNS, linea di luce 4A. MR ha fornito loro una rappresentazione accurata dei profili strutturali, che ha rivelato esattamente come i polimeri e i fullereni si stavano organizzando in entrambi i film. La differenza tra loro era evidente.

Considerando che la morfologia del campione ricotto ha mostrato chiaramente una separazione significativa tra i polimeri e i fullereni, il campione contenente l'additivo solvente era notevolmente consistente e si comportava meglio.

"Il motivo è che quando usiamo un solvente invece della ricottura, il campione si asciuga molto lentamente, quindi c'è abbastanza tempo perché il sistema diventi completamente ottimizzato, " ha affermato Valeria Lauter, capo ricercatore degli strumenti MR. "Vediamo che non è necessaria una ricottura aggiuntiva perché, in un senso, il sistema è già perfetto come può essere."

La riflettometria di neutroni è un metodo potente perché rende effettivamente trasparenti molti materiali, ha spiegato Lauter. Invece di cercare la chiave che apre la scatola nera metaforica che impedisce ai ricercatori di vedere la struttura atomica di un materiale, lei dice, i neutroni semplicemente lo attraversano, fornendo ai ricercatori informazioni sia qualitative che quantitative sul loro problema.

Non solo le informazioni ottenute dai neutroni aiuteranno ad aumentare l'efficienza delle prestazioni delle celle solari, ma semplificheranno anche il processo di produzione. L'utilizzo di additivi solventi per ottimizzare la morfologia dei film BHJ potrebbe annullare la necessità di investire di più in un processo meno efficace:un risparmio di tempo, soldi, e risorse.

"Inoltre, l'ottimizzazione delle proprietà fotovoltaiche fornisce informazioni per produrre celle solari con morfologia e prestazioni del dispositivo completamente controllate, "Herath ha detto. "Questi risultati aiuteranno a sviluppare il fotovoltaico 'ideale', che ci avvicina di un passo alla produzione di dispositivi commercializzati."