Das „Re-Entrant“-Mischverhalten in organischen Solarzellen erfordert einen neuen Modellierungsansatz

Zusätzliche Parameter zur Vorhersage von Materialleistung notwendig

In einer neuen Studie hat ein internationales Forscherteam Phasendiagramme für organische Solarzellen erstellt, die auf einem Verbundstoff aus einem polymeren Halbleiter und einem „kleinen Molekülakzeptor“ (SMA) basieren. Die Phasendiagramme zeigen, dass das Mischverhalten dieser Verbundstoffe eine unerwartete Abhängigkeit von der Temperatur aufweisen kann, was darauf hindeutet, dass Forschende zusätzliche Parameter berücksichtigen sollten, wenn sie versuchen, die Materialleistung vorherzusagen. Die Arbeit könnte die Entwicklung verbesserter Materialien für den Einsatz in hocheffizienten Solarzellen beschleunigen.

„Polymer:SMA-Mischungen bieten eine hohe Effizienz und Stabilität für Solarzellen, jedoch nur, wenn ihr Mischverhalten präzise abgestimmt ist“, sagt Harald Ade, Goodnight Innovation Distinguished Professor für Physik an der North Carolina State University und Mitautor der Studie. „Wir zeigen, dass ihr Mischverhalten weitaus komplexer ist als das von herkömmlichen Standardpolymeren. Vor dieser Studie gab es jedoch kaum Untersuchungen zum Phasenverhalten dieser ‚Solar-Verbundwerkstoffe‘.“

Das Forschungsteam ermittelte die binären Phasendiagramme von über 50 Polymer:SMA-Verbundwerkstoffen. Ein binäres Phasendiagramm zeigt, wie die Temperatur bestimmt, ob sich zwei Materialien vermischen oder trennen. Da die Funktion der Solarzelle entscheidend vom Mischverhalten abhängt, sind solche Diagramme für die Vorhersage der Stabilität und Leistung der Solarzelle von zentraler Bedeutung.

Es wurde angenommen, dass sich Polymer:SMA-Verbundstoffe wie die meisten Materialien durch Erhöhen der Temperatur besser vermischen lassen. Bei 50 % der vom Team untersuchten Mischungen trennten sich die Komponenten jedoch bei steigender Temperatur und vermischten sich bei sinkender Temperatur, was zu „re-entrant” Phasendiagrammen führte.

Re-Entrance ist ein Phänomen, bei dem ein Material bei Temperaturänderungen zwei oder mehr Phasenübergänge durchläuft, bevor es in seinen Ausgangszustand zurückkehrt.

„Die Tatsache, dass organische Halbleiter ein viel reichhaltigeres Phasenverhalten aufweisen als herkömmliche Materialien, hängt mit ihrer molekularen Komplexität zusammen”, sagt Jasper Michels, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Polymerforschung und Mitautor der Arbeit. „Klassische Modelle für Polymermischungen müssen um zusätzliche Parameter erweitert werden, um die Auswirkungen dieser Komplexität auf ihr Verhalten in einem Verbundwerkstoff zu erfassen.”

Die Forschenden konzentrierten sich insbesondere auf das freie Volumen innerhalb der Verbundwerkstoffe – das dazu führt, dass ein Material bei Erwärmung oder Abkühlung expandiert oder schrumpft – sowie auf den Glasübergang – die Temperatur, bei der ein Material zu einem nichtkristallinen Feststoff „erstarrt“.

„Es gibt einen groben Zusammenhang zwischen der Glasübergangstemperatur und der Form des Phasendiagramms“, sagt Michels. „Der Ansatz zum glasartigen Zustand wurde bisher bei der Erklärung des Mischungsverhaltens organischer Halbleiter nicht berücksichtigt, aber seine Einbeziehung in das Modell scheint ein vollständigeres Bild zu liefern, da es die experimentellen Beobachtungen qualitativ reproduziert.“

Das Team hofft, dass seine Erkenntnisse in die zukünftige Konzeption und Entwicklung neuer Materialien für Solarzellen einfließen werden.

„Nach unserem traditionellen Verständnis wird das Mischen von zwei Faktoren dominiert: Unordnung und Wechselwirkung“, sagt Ade. „Organische Halbleiter haben jedoch zusätzliche Eigenschaften, die zu einem komplexen Phasenverhalten führen. Ich hoffe, dass diese Arbeit zu unserem Verständnis beiträgt, wie Effizienz und Stabilität von molekularen Wechselwirkungen auf kleineren Längenskalen abhängen.“

Die Arbeit erscheint in Nature Materials und wird teilweise vom Office of Naval Research (Förderungsnummer N000142012155) und von der Max-Planck-Gesellschaft unterstützt. Der ehemalige Doktorand der NC State, Zhengxing Peng, ist Erstautor. Der ehemalige Postdoktorand der NC State, Masoud Ghasemi, hat ebenfalls zu dieser Arbeit beigetragen.