由北卡羅萊納州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開發(fā)了一種分析測(cè)量“框架”，該框架可以使有機(jī)太陽(yáng)能電池研究人員和制造商確定在制造之前哪種材料將生產(chǎn)出最穩(wěn)定的太陽(yáng)能電池。

在過(guò)去的幾十年中，有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率不斷提高，但是研究人員和制造商仍在努力確定哪種材料組合最有效，為什么最好以及實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的形態(tài)和操作。

“確定這些太陽(yáng)能電池的有前途的材料仍然涉及很多'反復(fù)試驗(yàn)'的猜測(cè)，”北卡羅來(lái)納州州立大學(xué)Goodnight Innovation杰出物理學(xué)教授，該研究的同時(shí)通訊作者哈拉德·阿德說(shuō)。“但是，我們發(fā)現(xiàn)，如果您了解所用材料的兩個(gè)重要參數(shù)，則可以預(yù)測(cè)活性層形態(tài)的穩(wěn)定性，從而反過(guò)來(lái)會(huì)影響效率。”

所涉及的參數(shù)是彈性模量和玻璃化轉(zhuǎn)變-本質(zhì)上是材料的硬度以及在什么溫度下材料從剛性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)或粘性流體態(tài)。

北卡羅來(lái)納州立大學(xué)機(jī)械與航空航天工程副教授，該研究的通訊作者布倫丹·奧康納(Brendan O'Connor)說(shuō)：“最高效的太陽(yáng)能電池由通常具有混溶性的材料混合而成。” “理想情況下，這些混合物需要在制造過(guò)程中混合成優(yōu)化的成分，但是隨著時(shí)間的流逝，它們會(huì)分離或擴(kuò)散到過(guò)于純凈的區(qū)域中，從而導(dǎo)致器件性能下降。

“我們想了解是什么導(dǎo)致了這種成分的不穩(wěn)定性。我們發(fā)現(xiàn)，從根本上驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散行為的分子相互作用可以通過(guò)彈性模量和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的'代理參數(shù)'來(lái)捕獲。”

該團(tuán)隊(duì)由NC State博士后研究員Masoud Ghasemi領(lǐng)導(dǎo)，使用二次離子質(zhì)譜(SIMS)來(lái)測(cè)量小分子在純聚合物層中的擴(kuò)散行為。他們還使用了差示掃描量熱法(DSC)和起皺計(jì)量學(xué)方法來(lái)測(cè)量有機(jī)太陽(yáng)能電池中常用的多種材料的玻璃化轉(zhuǎn)變和彈性模量。

總的來(lái)說(shuō)，研究小組發(fā)現(xiàn)，最穩(wěn)定的有機(jī)太陽(yáng)能電池包含一個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高的小分子和一個(gè)具有大彈性模量的聚合物。換句話說(shuō)，是一種高剛性的材料。

Ghasemi說(shuō)：“剛性更高的材料也具有最低的固有混溶性。” “有趣的是，這意味著不喜歡混合的材料在被迫這樣做時(shí)具有最低的擴(kuò)散，從而得到最穩(wěn)定的太陽(yáng)能電池。”

“我們的發(fā)現(xiàn)是相當(dāng)直觀的，” Ade說(shuō)，“但是發(fā)現(xiàn)彈性模量，玻璃化轉(zhuǎn)變和這些材料內(nèi)部的分子相互作用之間存在定量關(guān)系，這使我們能夠捕獲局部水平的相互作用力，從而預(yù)測(cè)了這些系統(tǒng)的穩(wěn)定性而無(wú)需需要反復(fù)試驗(yàn)。”

該研究發(fā)表在《自然材料》上。

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