北卡羅萊納州立大學領導的研究人員開發(fā)了一種分析測量“框架”，該框架可以使有機太陽能電池研究人員和制造商確定在制造之前哪種材料將生產(chǎn)出最穩(wěn)定的太陽能電池。

在過去的幾十年中，有機太陽能電池的效率不斷提高，但是研究人員和制造商仍在努力確定哪種材料組合最有效，為什么最好以及實現(xiàn)穩(wěn)定的形態(tài)和操作。

“確定這些太陽能電池的有前途的材料仍然涉及很多'反復試驗'的猜測，”北卡羅來納州州立大學Goodnight Innovation杰出物理學教授，該研究的同時通訊作者哈拉德·阿德說。“但是，我們發(fā)現(xiàn)，如果您了解所用材料的兩個重要參數(shù)，則可以預測活性層形態(tài)的穩(wěn)定性，從而反過來會影響效率。”

所涉及的參數(shù)是彈性模量和玻璃化轉變-本質上是材料的硬度以及在什么溫度下材料從剛性狀態(tài)轉變?yōu)橄鹉z態(tài)或粘性流體態(tài)。

北卡羅來納州立大學機械與航空航天工程副教授，該研究的通訊作者布倫丹·奧康納(Brendan O'Connor)說：“最高效的太陽能電池由通常具有混溶性的材料混合而成。” “理想情況下，這些混合物需要在制造過程中混合成優(yōu)化的成分，但是隨著時間的流逝，它們會分離或擴散到過于純凈的區(qū)域中，從而導致器件性能下降。

“我們想了解是什么導致了這種成分的不穩(wěn)定性。我們發(fā)現(xiàn)，從根本上驅動擴散行為的分子相互作用可以通過彈性模量和玻璃化轉變溫度的'代理參數(shù)'來捕獲。”

該團隊由NC State博士后研究員Masoud Ghasemi領導，使用二次離子質譜(SIMS)來測量小分子在純聚合物層中的擴散行為。他們還使用了差示掃描量熱法(DSC)和起皺計量學方法來測量有機太陽能電池中常用的多種材料的玻璃化轉變和彈性模量。

總的來說，研究小組發(fā)現(xiàn)，最穩(wěn)定的有機太陽能電池包含一個玻璃化轉變溫度高的小分子和一個具有大彈性模量的聚合物。換句話說，是一種高剛性的材料。

Ghasemi說：“剛性更高的材料也具有最低的固有混溶性。” “有趣的是，這意味著不喜歡混合的材料在被迫這樣做時具有最低的擴散，從而得到最穩(wěn)定的太陽能電池。”

“我們的發(fā)現(xiàn)是相當直觀的，” Ade說，“但是發(fā)現(xiàn)彈性模量，玻璃化轉變和這些材料內部的分子相互作用之間存在定量關系，這使我們能夠捕獲局部水平的相互作用力，從而預測了這些系統(tǒng)的穩(wěn)定性而無需需要反復試驗。”