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分析测量可以预测有机太阳能电池的稳定性

由北卡罗莱纳州立大学领导的研究人员开发了一种分析测量“框架”,该框架可以使有机太阳能电池研究人员和制造商确定在制造之前哪种材料将生产出最稳定的太阳能电池。

在过去的几十年中,有机太阳能电池的效率不断提高,但是研究人员和制造商仍在努力确定哪种材料组合最有效,为什么最好以及实现稳定的形态和操作。

“确定这些太阳能电池的有前途的材料仍然涉及很多'反复试验'的猜测,”北卡罗来纳州州立大学Goodnight Innovation杰出物理学教授,该研究的同时通讯作者哈拉德·阿德说。“但是,我们发现,如果您了解所用材料的两个重要参数,则可以预测活性层形态的稳定性,从而反过来会影响效率。”

所涉及的参数是弹性模量和玻璃化转变-本质上是材料的硬度以及在什么温度下材料从刚性状态转变为橡胶态或粘性流体态。

北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程副教授,该研究的通讯作者布伦丹·奥康纳(Brendan O'Connor)说:“最高效的太阳能电池由通常具有混溶性的材料混合而成。” “理想情况下,这些混合物需要在制造过程中混合成优化的成分,但是随着时间的流逝,它们会分离或扩散到过于纯净的区域中,从而导致器件性能下降。

“我们想了解是什么导致了这种成分的不稳定性。我们发现,从根本上驱动扩散行为的分子相互作用可以通过弹性模量和玻璃化转变温度的'代理参数'来捕获。”

该团队由NC State博士后研究员Masoud Ghasemi领导,使用二次离子质谱(SIMS)来测量小分子在纯聚合物层中的扩散行为。他们还使用了差示扫描量热法(DSC)和起皱计量学方法来测量有机太阳能电池中常用的多种材料的玻璃化转变和弹性模量。

总的来说,研究小组发现,最稳定的有机太阳能电池包含一个玻璃化转变温度高的小分子和一个具有大弹性模量的聚合物。换句话说,是一种高刚性的材料。

Ghasemi说:“刚性更高的材料也具有最低的固有混溶性。” “有趣的是,这意味着不喜欢混合的材料在被迫这样做时具有最低的扩散,从而得到最稳定的太阳能电池。”

“我们的发现是相当直观的,” Ade说,“但是发现弹性模量,玻璃化转变和这些材料内部的分子相互作用之间存在定量关系,这使我们能够捕获局部水平的相互作用力,从而预测了这些系统的稳定性而无需需要反复试验。”

该研究发表在《自然材料》上。

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