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一个国际研究小组发现了一种新的定量关系，可以快速识别有机太阳能电池的有前途的材料组合。这一发现可以通过减少寻找最有效混合物的时间，显著减少太阳能电池生产的“试错”环节。这项研究发表在自然材料．
目前，化学家们致力于设计更高效的有机太阳能电池，主要依赖于“死后”或生产后对其生产的电池的组成材料分布的分析。换句话说，如果他们想知道太阳能电池中的供体和受体分子是如何混合和相互作用的，他们必须首先创造这种混合物，并生成在分子水平上进行检测的样品。例如，我们现在拥有的高性能太阳能电池，是通过劳动密集型、反复试验的方法制造出来的，开发了1000多种材料组合，并为每种材料寻找最佳的加工条件。
“太阳能电池层中分子之间的力量决定了它们混合的程度——如果它们相互作用非常强，它们就会混合，但如果它们相互排斥，它们就不会，”北卡罗来纳州晚安创新杰出物理学教授、这篇论文的通讯作者哈拉尔德·艾德(Harald Ade)说。“高效太阳能电池是一种微妙的平衡。如果域混合太多或太少，电荷就不能分离或有效地收获。我们知道，吸引力和排斥力取决于温度，就像糖在咖啡中的溶解一样——糖与咖啡的饱和度或最大程度的混合，会随着温度的升高而改善。”
Ade与北卡罗来纳州立大学的博士后研究员兼第一作者叶龙(Long Ye)和香港科技大学的化学家何炎(He Yan)一起，着手确定在什么温度下这些系统从两种不同的材料转化为有机太阳能电池中的一种均质混合物。利用二次离子质谱和x射线显微镜，该团队能够观察不同温度下的分子相互作用，以了解相变发生的时间。x射线散射使他们能够检验畴的纯度。最终的结果是一个参数和定量模型，描述了域混合作为温度的函数，可以用来评估不同的混合物。
“我们计算出‘咖啡中糖’的饱和水平与温度的关系，”艾德说。“这个参数为化学家提供了系统的溶解度极限，这将使他们能够确定哪个加工温度将使最大的加工窗口产生最佳性能。”
“过去，人们主要使用粗近似法来研究室温下系统中的这个参数。他们无法在与加工条件相对应的温度下精确测量，而加工条件要热得多，”叶说。“测量和建模这一参数的能力也将为加工提供宝贵的经验，而不仅仅是材料对。原则上，我们的方法可以在制造过程中对给定的有机混合物在任何温度下做到这一点。”
艾德说:“目前，化学家们修改一个分子，并通过试验来确定它是否是太阳能电池的好材料，但如果他们有错误的加工条件，他们可能会错过很多好材料。”“我们的参数测量饱和水平，因此他们可以在生产设备之前确定材料系统是否良好。我们的最终目标是形成一个框架和实验基础，在尝试费力的合成之前，可以在计算机上通过模拟来评估化学结构的变化。”
香港科技大学副教授，共同通讯作者。合著者包括:佐治亚理工学院的董事化学教授Jean-Luc Bredas;香港科技大学博士后研究员胡华伟;北卡罗来纳州立大学博士后研究员Joo-Hyun Kim和北卡罗来纳州立大学研究生Masoud Ghasemi和Joshua Carpenter。北卡州立大学的这项工作得到了美国能源部(拨款DE-FG02-98ER45737)、海军研究办公室(拨款N00141512322和N000141712204)和北卡州立大学综合管理研究机会计划的资助。
皮克-
编辑报告下面是摘要。
有机太阳能电池中相互作用参数、混溶性与功能的定量关系
DOI: 10.1038 / s41563 - 017 - 0005 - 1
作者: Long Ye, Masoud Ghasemi, Brian A Collins, Joo-Hyun Kim, Joshua H. Carpenter, Terry McAfee and Harald Ade，北卡罗莱纳州立大学;胡华伟，姜奎，李正科，赵景波，赖玉霖，马廷轩，闫贺，香港科技大学;王同辉，陈先凯和Jean-Luc Bredas，阿卜杜拉国王科技大学和佐治亚理工学院
发表:《自然材料
文摘:
虽然我们知道分子间的相互作用决定了共轭聚合物供体和小分子受体混合区域的形态形成和纯度，并因此在很大程度上控制了有机太阳能电池的可实现性能，但定量的相互作用-功能关系仍然是未知的。在这里，我们首先通过绘制模型非晶聚合物:富勒烯材料体系的相图，确定了温度依赖性的有效非晶-非晶相互作用参数χaa(T)。然后，我们在有机太阳能电池中建立了χaa与填充因子之间的定量“恒定-纠缠-饱和”关系，该关系在模型系统中得到了详细验证，并在包括富勒烯和非富勒烯受体在内的众多高性能和低性能材料系统中得到了描述。我们的实验和计算数据表明，只有当χaa大到足以导致强相分离时，才能获得高填充因子。我们的工作概述了使用各种混溶性测试和未来模拟方法的基础，这些方法将大大减少或消除功能性半导体共混物和有机共混物的材料合成和器件制造的反复试验方法。
