Uma equipe internacional de pesquisadores descobriu uma nova relação quantitativa que permite a rápida identificação de combinações de materiais promissores para células solares orgânicas. A descoberta pode reduzir significativamente o aspecto de "tentativa e erro" da produção de células solares, reduzindo o tempo gasto para encontrar as misturas mais eficientes. A pesquisa aparece em Materiais da Natureza .
Atualmente, os químicos que trabalham para projetar células solares orgânicas mais eficientes confiam fortemente na análise "post-mortem" ou pós-fabricação da distribuição dos materiais constituintes das células que produzem. Em outras palavras, se eles querem ver como as moléculas doadoras e aceitadoras dentro da célula solar se misturam e interagem, eles devem primeiro criar a mistura e produzir amostras que são examinadas no nível molecular. As células solares de alto desempenho que temos agora, por exemplo, foram criados por meio de um trabalho intensivo, abordagem de tentativa e erro de desenvolver mais de 1, 000 combinações de materiais e olhando as condições ideais de processamento para cada um.
"As forças entre as moléculas dentro das camadas de uma célula solar determinam o quanto elas vão se misturar - se forem muito interativas, vão se misturar, mas se forem repulsivas, não vão, "diz Harald Ade, Goodnight Innovation Professor distinto de Física da NC State e autor correspondente do artigo. "Células solares eficientes são um equilíbrio delicado. Se os domínios misturam muito ou pouco, as cargas não podem ser separadas ou colhidas de forma eficaz. Sabemos que atração e repulsão dependem da temperatura, muito parecido com o açúcar dissolvido no café - a saturação, ou mistura máxima do açúcar com o café, melhora à medida que a temperatura aumenta. "
Ade, com o pesquisador de pós-doutorado e primeiro autor Long Ye da NC State e o químico He Yan da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong, começou a determinar a que temperatura esses sistemas se transformam de dois materiais separados em uma mistura homogênea em células solares orgânicas. Utilizando espectrometria de massa de íons secundários e microscopia de raios-X, a equipe foi capaz de observar as interações moleculares em diferentes temperaturas para ver quando ocorre a mudança de fase. O espalhamento de raios-X permitiu que examinassem a pureza dos domínios. O resultado final foi um parâmetro e modelo quantitativo que descreve o domínio da mistura em função da temperatura e que pode ser usado para avaliar diferentes misturas.
“Descobrimos o nível de saturação do 'açúcar do café' em função da temperatura, "Ade diz." Este parâmetro dá aos químicos o limite de solubilidade do sistema, o que permitirá que eles determinem qual temperatura de processamento terá um desempenho ideal com a maior janela de processamento. "
"No passado, as pessoas estudaram principalmente este parâmetro em sistemas à temperatura ambiente usando aproximações grosseiras. Eles não podiam medi-lo com precisão e em temperaturas correspondentes às condições de processamento, que são muito mais quentes, "diz Ye." A capacidade de medir e modelar este parâmetro também oferecerá lições valiosas sobre processamento e não apenas pares de materiais. Em princípio, nosso método pode fazer isso para uma determinada mistura orgânica em qualquer temperatura durante o processo de fabricação. "
"Atualmente, os químicos modificam uma molécula e usam testes para ver se é um bom material para células solares, mas se eles tiverem as condições de processamento erradas, eles podem perder muitos materiais bons, "Ade diz." Nosso parâmetro mede o nível de saturação para que eles possam determinar se o sistema de material é bom antes de fabricar os dispositivos. Nosso objetivo final é formar uma estrutura e uma base experimental na qual a variação estrutural química possa ser avaliada por simulações no computador antes que a síntese laboriosa seja tentada. "
