Un equipo internacional de investigadores ha descubierto una nueva relación cuantitativa que permite una rápida identificación de combinaciones de materiales prometedoras para las células solares orgánicas. El descubrimiento podría reducir significativamente el aspecto de "prueba y error" de la producción de células solares al reducir el tiempo dedicado a encontrar las mezclas más eficientes. La investigación aparece en Materiales de la naturaleza .

Ahora, Los químicos que trabajan para diseñar células solares orgánicas más eficientes se basan en gran medida en el análisis "post-mortem" o posterior a la fabricación de la distribución de los materiales constituyentes de las células que producen. En otras palabras, si quieren ver cómo las moléculas donantes y aceptoras dentro de la célula solar se mezclan e interactúan, primero deben crear la mezcla y producir muestras que se examinan a nivel molecular. Las células solares de alto rendimiento que tenemos ahora, por ejemplo, fueron creados a través de un trabajo intensivo, enfoque de prueba y error de desarrollar más de 1, 000 combinaciones de materiales y buscando las condiciones óptimas de procesamiento para cada uno.

"Las fuerzas entre las moléculas dentro de las capas de una célula solar gobiernan cuánto se mezclarán; si son muy interactivas, se mezclarán, pero si son repulsivas, no lo harán". "dice Harald Ade, Goodnight Innovation, profesor distinguido de física en NC State y autor correspondiente del artículo. "Las células solares eficientes son un equilibrio delicado. Si los dominios se mezclan demasiado o muy poco, las cargas no se pueden separar ni recolectar de manera efectiva. Sabemos que la atracción y la repulsión dependen de la temperatura, muy parecido al azúcar que se disuelve en el café:la saturación, o mezcla máxima del azúcar con el café, mejora a medida que aumenta la temperatura ".

Ade, con el investigador postdoctoral y primer autor Long Ye de NC State y el químico He Yan de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong, se propuso determinar a qué temperatura estos sistemas se transforman de dos materiales separados a una mezcla homogénea en células solares orgánicas. Utilizando espectrometría de masas de iones secundarios y microscopía de rayos X, el equipo pudo observar las interacciones moleculares a diferentes temperaturas para ver cuándo ocurre el cambio de fase. La dispersión de rayos X les permitió examinar la pureza de los dominios. El resultado final fue un parámetro y un modelo cuantitativo que describe la mezcla de dominios en función de la temperatura y que se puede utilizar para evaluar diferentes mezclas.

"Calculamos el nivel de saturación del 'azúcar en el café' en función de la temperatura, "Ade dice." Este parámetro da a los químicos el límite de solubilidad del sistema, lo que les permitirá determinar qué temperatura de procesamiento dará un rendimiento óptimo con la ventana de procesamiento más grande ".

"En el pasado, las personas estudiaron principalmente este parámetro en sistemas a temperatura ambiente utilizando aproximaciones crudas. No pudieron medirlo con precisión y a temperaturas correspondientes a las condiciones de procesamiento, que son mucho más calientes, ", dice Ye." La capacidad de medir y modelar este parámetro también ofrecerá lecciones valiosas sobre el procesamiento y no solo los pares de materiales. En principio, nuestro método puede hacer esto para una mezcla orgánica determinada a cualquier temperatura durante el proceso de fabricación ".

"Actualmente, los químicos modifican una molécula y utilizan pruebas para ver si es un buen material para las células solares, pero si tienen las condiciones de procesamiento incorrectas, podrían perder muchos materiales buenos, "Ade dice." Nuestro parámetro mide el nivel de saturación para que pudieran determinar si el sistema de materiales es bueno antes de fabricar dispositivos. Nuestro objetivo final es formar un marco y una base experimental sobre la que se pueda evaluar la variación química estructural mediante simulaciones en la computadora antes de intentar una laboriosa síntesis ".