Los avances en películas ultrafinas han hecho que los paneles solares y los dispositivos semiconductores sean más eficientes y menos costosos. e investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía dicen que han encontrado una manera de fabricar las películas más fácilmente, también.

Por lo general, las películas, utilizadas por células solares de heterounión orgánica a granel, o BHJs, para convertir la energía solar en electricidad:se crean en una solución mezclando polímeros conjugados y fullerenos, moléculas de carbono similares a balones de fútbol también conocidas como buckyballs.

Próximo, la mezcla se centrifuga sobre un sustrato giratorio para garantizar la uniformidad, luego se envía a posprocesamiento para ser recocido. El recocido del material (calentarlo y luego enfriarlo) reduce la dureza del material al tiempo que aumenta su tenacidad, lo que facilita el trabajo.

La flexibilidad hace que los BHJ sean más atractivos que sus homólogos de silicio cristalino más costosos, pero el proceso de recocido requiere mucho tiempo.

Ahora, los investigadores de ORNL dicen que un simple solvente puede hacer que el recocido térmico sea cosa del pasado.

En una colaboración entre la fuente de neutrones por espalación (SNS) de ORNL y el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos (CNMS), ambos de la Oficina de Instalaciones de Usuarios Científicos del DOE, la investigadora postdoctoral Nuradhika Herath dirigió un equipo de científicos de neutrones y materiales en un estudio de la morfología, o estructura, de películas de BHJ.

"Optimizar la morfología de una película es la clave para mejorar el rendimiento del dispositivo, ", Dijo Herath." Lo que queremos averiguar es la relación entre las estructuras de mezcla y el rendimiento fotovoltaico ". Encontrar formas de ajustar la morfología de la película es tan importante como responder por qué ciertas morfologías de la película son más favorables que otras, ella añadió.

Los investigadores compararon el recocido térmico con un método que agrega una pequeña cantidad de solvente que ayuda a disolver los fullerenos dentro de la mezcla y ayuda a que la estructura de la película sea más uniforme.

La idea es obtener la mezcla más uniforme de moléculas absorbentes de luz (p. Ej., polímeros u otras moléculas) y fullerenos en toda la película. Si la mezcla no es uniforme, se forman grupos y hacen que los electrones que pasan sean absorbidos, debilitando la capacidad de la película para transportar corriente eléctrica, lo que a su vez disminuye el rendimiento del dispositivo.

Debido a que las películas suelen tener un grosor de aproximadamente 100 nanómetros (a modo de comparación, un cabello humano mide alrededor de 75, 000 nanómetros de diámetro) y el perfil de profundidad de la composición es muy complejo, se necesitan instrumentos especiales para medir la morfología del material. Para esto, los investigadores recurrieron a la dispersión de neutrones.

Después de mezclar y centrifugar dos muestras diferentes en CNMS:una recocida, el otro con aditivo solvente:el equipo puso ambas películas bajo el ojo del reflectómetro de magnetismo (MR) de SNS, línea de haz 4A. MR les proporcionó una descripción precisa de los perfiles estructurales, que reveló exactamente cómo los polímeros y los fullerenos se estaban organizando a lo largo de ambas películas. La diferencia entre ellos era evidente.

Considerando que la morfología de la muestra recocida mostró claramente una separación significativa entre los polímeros y los fullerenos, la muestra que contenía el aditivo disolvente fue notablemente uniforme en todo momento y funcionó mejor.

"La razón es que cuando usamos un solvente en lugar de recocido, la muestra se seca muy lentamente, por lo que hay tiempo suficiente para que el sistema se optimice por completo, ", dijo Valeria Lauter, científica principal de instrumentos de MR." Vemos que el recocido adicional no es necesario porque, en un sentido, el sistema ya es tan perfecto como puede ser ".

La reflectometría de neutrones es un método poderoso porque efectivamente hace que muchos materiales sean transparentes, Lauter explicó. En lugar de buscar la clave que abre la caja negra metafórica que evita que los investigadores vean la estructura atómica de un material, ella dice, los neutrones simplemente lo atraviesan, dar a los investigadores información tanto cualitativa como cuantitativa sobre su problema.

La información obtenida de los neutrones no solo ayudará a aumentar la eficiencia del rendimiento de las células solares, pero también agilizarán el proceso de fabricación. El uso de aditivos solventes para optimizar la morfología de las películas BHJ podría anular la necesidad de invertir más en un proceso menos efectivo:un ahorro de tiempo, dinero, y recursos.

"Además, La optimización de las propiedades fotovoltaicas proporciona información para fabricar células solares con una morfología y un rendimiento del dispositivo totalmente controlados. ", Dijo Herath." Estos hallazgos ayudarán a desarrollar energía fotovoltaica 'ideal', lo que nos acerca un paso más a la producción de dispositivos comercializados ".