有機太陽能電池可以是無機太陽能電池的廉價且通用的替代品。但是，它們的低效率和有限的使用壽命目前使它們不適合商業(yè)用途。

為了提高性能并使這些太陽能電池更接近實際應用，西北大學與能源部(DOE)阿貢國家實驗室合作的阿貢西北太陽能研究中心(ANSER)的研究人員，已經更好地了解了有機太陽能電池的分子結構是如何形成的。

研究人員使用能源部科學用戶設施辦公室Argonne的高級光子源(APS)，分析了有機太陽能電池在不同條件下生產時晶體結構如何發(fā)展。借助APS，研究人員了解了某些添加劑如何影響獲得的微結構，從而提供了可以提高細胞效率的新見解。

科學家們專注于電池的光敏層，該光敏層由吸收陽光中的能量并將其轉化為電流的薄膜構成。研究人員通過旋涂生產了薄膜，旋涂是研究實驗室廣泛使用的薄膜制造工藝。

在旋涂中，科學家將溶解在溶劑中的材料滴在旋轉的表面上。這導致它散布成薄而均勻的薄片。他們在APS的X射線光束線上安裝了旋涂機，并觀看了影片的晶體結構實時變化。

為了查看微晶如何完整而詳細地形成，研究人員利用一種稱為掠入射寬角X射線散射(GIWAXS)的特定原位方法來收集X射線衍射數(shù)據(jù)。

這項研究的第一作者，10月9日發(fā)表在《先進材料》上的西北大學研究生埃里克·曼利說：“正是這種特殊的旋涂裝置的穩(wěn)定性和可重復性才使這項研究得以實現(xiàn)。”

通過新的實驗設置，這項研究的最重要發(fā)現(xiàn)是某些添加劑如何顯著影響薄膜結構停止變化所需的時間以及薄膜在演化過程中采用的中間結構。即使在溶劑溶解后，根據(jù)存在的添加劑，結構仍可以持續(xù)變化數(shù)秒至數(shù)小時。用添加劑生產得較慢的薄膜通常比形成較快的薄膜性能更好。

“太陽能電池制造商通常會在旋涂后迅速進入下一步生產，這有可能在結構仍在形成時鎖定形態(tài)。這可能對電池的性能產生正面和負面的影響，” Manley說。“我們發(fā)現(xiàn)我們需要報告制造步驟之間的時間，以控制條件以重現(xiàn)最佳結果。”

研究人員計劃研究更復雜的結構，并研究不同的選擇如何優(yōu)化性能。Argonne的X射線科學部門的時間分辨研究小組成員，物理學家約瑟夫·斯特拉卡(Joseph Strzalka)說：“我們希望這將為使這些細胞在日常應用中更具生存能力鋪平道路。”