 Достижения в ультратонких пленках сделали солнечные панели и полупроводниковые приборы более эффективными и менее дорогостоящими в производстве, и исследователи лаборатории Ок-Ридж утверждают, что они также нашли способ более легко производить пленки.
Обычно пленки, используемые в органических гетеропереходных солнечных батарей для преобразования солнечной энергии в электричество, создаются в растворе путем смешивания сопряженных полимеров и фуллеренов - молекул в форме «футбольного мяча».
Далее смесь накладывается на вращающуюся подложку, чтобы обеспечить однородность, затем отправляется в пост-обработку, чтобы подвергнуться отжигу. Отжиг уменьшает твердость материала, увеличивая его прочность, что упрощает работу с ним.
Податливость делает гетеропереходные солнечные батареи более привлекательными, чем их более дорогостоящие кристаллические кремниевые аналоги, но процесс отжига обычно отбирает много времени. Теперь исследователи утверждают, что простой растворитель может сделать термический отжиг пережитком прошлого.
Оптимизация морфологию пленки является ключом к улучшению производительности устройства. Исследователи хотят узнать взаимосвязь между смесью структур и фотоэлектрической производительностью. Поиск путей для настройки морфология пленки также является важным, как и ответ на вопрос, почему морфологии некоторых пленок являются более благоприятными, чем другие.
Исследователи сравнили термический отжига с методом, который добавляет небольшое количество растворителя, что помогает в растворении фуллеренов в пределах смеси и делает структуру пленки более равномерной.
Идея состоит в том, чтобы получить наиболее однородную смесь легких поглощающих молекул (например, полимеров или других молекул) и фуллеренов на протяжении всей пленки. Если смесь не является однородной, то образуются кластеры, приводя к поглощению проходящих электронов поглощаются, ослабляя способность пленки транспортировать электрический ток, что в свою очередь снижает производительность устройства.
Поскольку пленки, как правило, имеют толщину около 100 нанометров (для сравнения, человеческий волос имеет около 75000 нанометров) и профиль глубины состава является очень сложным, то необходимы специальные инструменты для измерения морфологии материала. Для этой цели исследователи обратились к рассеянию нейтронов.
После смешивания и центробежного литья двух различных образцов (один отожженный, другой с добавкой растворителя), учение положили обе пленки под оком магнетического рефлектометра, который предоставил им точное изображением структурных профилей, которое показал, как именно полимеры и фуллерены самоорганизуются в обоих пленках. Разница между ними была очевидна.
В то время как морфология отожженного образца четко показала значительное разделение между полимерами и фуллеренами, образец, содержащий добавочный растворитель, является удивительно постоянном и показывает лучшие результаты.
Причина заключается в том, что, когда используется растворитель вместо отжига, образец сохнет очень медленно, так что остается достаточно времени, чтобы система стала полностью оптимизированной. Становится видно, что дополнительный отжиг уже не нужен, потому что система уже становится настолько совершенной, насколько она может быть.
Нейтронная рефлектометрия является мощным методом, потому что она фактически делает много материалов прозрачными. Вместо того чтобы искать ключ, который открывает метафорический черный ящик, который не дает исследователям видеть атомную структуру материала, нейтроны просто идут прямо через него, давая исследователям и качественную и количественную информацию о своей проблеме.
Мало того, что информация, полученная от нейтронов, позволит увеличить эффективность работы солнечных батарей, но она также упрощает процесс их изготовления. Использование добавки растворителя для оптимизации морфологии пленок может свести на нет необходимость в инвестировании в менее эффективный процесс - экономя время, деньги и ресурсы.
Кроме того, оптимизация фотоэлектрических свойств предоставляет информацию по производству солнечных батарей с полностью контролируемой морфологией и производительностью устройства. Эти данные помогут в разработке идеального фотоэлектрического устройства, что приблизит исследователей на один шаг ближе к производству доступных солнечных элементов
|
