Los avances en las películas ultrafinas han hecho que los paneles solares y los dispositivos semiconductores sean más eficientes y menos costosos, y los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía dicen que también han encontrado una manera de fabricar las películas más fácilmente.
Por lo general, las películas, utilizadas por las células solares de heterounión a granel orgánicas, o BHJ, para convertir la energía solar en electricidad, se crean en una solución al mezclar polímeros conjugados y fullerenos, moléculas de carbono en forma de pelota de fútbol también conocidas como buckyballs.
A continuación, la mezcla se moldea por rotación sobre un sustrato giratorio para garantizar la uniformidad, luego se envía al posprocesamiento para ser recocido. El recocido del material, el calentamiento y el enfriamiento, reduce la dureza del material al tiempo que aumenta su tenacidad, lo que lo hacemás fácil de trabajar.
La flexibilidad hace que los BHJ sean más atractivos que sus equivalentes de silicio cristalino más costosos, pero el proceso de recocido lleva mucho tiempo.
Ahora los investigadores de ORNL dicen que un solvente simple puede hacer que el recocido térmico sea cosa del pasado.
En una colaboración entre la fuente de neutrones de espalación de ORNL SNS y el Centro de Ciencias de Materiales de Nanofase CNMS, ambas instalaciones de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE, el investigador postdoctoral Nuradhika Herath dirigió un equipo de científicos de neutrones y materiales en un estudio dela morfología o estructura de las películas de BHJ.
"Optimizar la morfología de una película es la clave para mejorar el rendimiento del dispositivo", dijo Herath. "Lo que queremos descubrir 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 responderPor qué ciertas morfologías de película son más favorables que otras, agregó.
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 a lo largo de la película. Si la mezcla no es uniforme, se forman grupos y hacen que los electrones que pasen se absorban, debilitando la capacidad de la películapara transportar corriente eléctrica, que a su vez disminuye el rendimiento del dispositivo.
Debido a que las películas tienen un espesor de aproximadamente 100 nanómetros en comparación, el cabello humano tiene un diámetro de aproximadamente 75,000 nanómetros y el perfil de profundidad de la composición es muy complejo, se necesitan instrumentos especiales para medir la morfología del material. Para esto, los investigadoresconvertido a la dispersión de neutrones.
Después de mezclar y colar por centrifugación dos muestras diferentes en el CNMS, una recocida y la otra con aditivo solvente, el equipo colocó ambas películas bajo el ojo del reflectómetro de magnetismo MR de SNS, línea de haz 4A. MR les proporcionó una precisiónrepresentación de los perfiles estructurales, que revelaron exactamente cómo los polímeros y los fullerenos se organizaron a lo largo de ambas películas. La diferencia entre ellos era evidente.
Mientras que la morfología de la muestra recocida mostró claramente una separación significativa entre los polímeros y los fullerenos, la muestra que contiene el aditivo solvente fue notablemente consistente 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 suficiente tiempo para que el sistema se optimice por completo", dijo Valeria Lauter, científica líder en instrumentos de MR. "Vemos ese recocido adicional".no es necesario porque, en cierto 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, explicó Lauter. En lugar de buscar la llave que abre la caja negra metafórica que impide que los investigadores vean la estructura atómica de un material, dice, los neutrones simplemente lo atraviesan, dando a los investigadores información cualitativa y cuantitativa sobre su problema.
La información obtenida de los neutrones no solo ayudará a aumentar la eficiencia del rendimiento de las células solares, sino que también racionalizará el proceso de fabricación de las mismas. El uso de aditivos solventes para optimizar la morfología de las películas BHJ podría negar la necesidad de invertir más en unproceso 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 la energía fotovoltaica 'ideal', que nos acerca un paso más a la producción de dispositivos comercializados"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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