В новом исследовании международная группа исследователей создала фазовую диаграмму органических солнечных элементов на основе композитов полимерных полупроводников и « акцепторов малых молекул » (SMA), соответствующее исследование опубликовано в Nature Materials.

Фазовая диаграмма показывает неожиданную зависимость поведения смешивания этих композитов от температуры, что означает, что исследователи должны учитывать другие параметры при прогнозировании свойств материалов, и эта работа, как ожидается, ускорит разработку улучшенных материалов для высокоэффективных солнечных элементов.

Харальд Эде, выдающийся профессор физики Goodnight Innovation в Университете штата Северная Каролина и соавтор-корреспондент исследования, утверждает, что смеси полимер:SMA обеспечивают высокую эффективность и стабильность солнечных батарей, но только при точной корректировке их поведения при смешивании. Он также отметил, что гибридное поведение этих «солнечных композитов» гораздо сложнее, чем у традиционных коммерческих полимеров, и ранее их фазовое поведение было недостаточно глубоко понимано.

Исследовательская группа определила более 50 полимеров: бинарная фазовая диаграмма композитов SMA, которая показывает, как температура определяет, смешиваются ли два материала или разделяются. Поскольку работа солнечных элементов критически зависит от поведения смешивания, такие фазовые диаграммы имеют решающее значение для прогнозирования стабильности и производительности устройства.

В отличие от большинства материалов, 50% смесей, изученных командой, демонстрируют фазовую диаграмму « повторного входа », то есть компоненты разделяются при повышении температуры и смешиваются при понижении температуры. Повторный вход означает изменение температуры, и материал подвергается двум или более фазовым переходам, прежде чем возвращаться в исходное состояние.

Джаспер Михельс, научный сотрудник Института полимеров Макса Планка и соавтор-корреспондент исследования, сказал, что фазовое поведение органических полупроводников богаче, чем у традиционных материалов, что связано с молекулярной сложностью, и классическая модель полимерных смесей должна добавить другие параметры, чтобы улавить влияние этой сложности на их поведение в композитных материалах.

Исследователи сосредоточились на свободном объеме внутри композита (который позволяет материалу расширяться или сокращаться при нагревании или охлаждении) и температуре стеклового перехода (температура, при которой материал « замерзает » в аморфное твердое состояние). Мишельс утверждает, что существует грубая зависимость между температурой стеклового перехода и формой фазовой диаграммы, и включение стеклового состояния в модель дает более полное изображение, поскольку оно может качественно воспроизвести экспериментальные наблюдения.

Команда надеется, что ее открытия послужат ориентиром для проектирования и разработки новых материалов для солнечных элементов в будущем. Аде сказал, что традиционно считается, что смешивание в основном определяется беспорядком и взаимодействиями, но органические полупроводники имеют дополнительные свойства, которые приводят к сложному фазовому поведению, и надеется, что это исследование поможет понять, как эффективность и стабильность зависят от молекулярных взаимодействий в меньших масштабах.