有机太阳能电池可以是无机太阳能电池的廉价且通用的替代品。然而，它们的低效率和有限的寿命目前使它们对于商业用途而言是不切实际的。
作为努力提高性能并使这些太阳能电池更接近实际应用的努力的一部分，阿贡 - 西北太阳能研究中心(ANSER)的研究人员，西北大学与美国能源部(DOE)阿贡国家实验室合作，更好地了解有机太阳能电池的分子结构是如何形成的。
利用美国能源部科学用户设施办公室的Argonne先进光子源(APS)，研究人员分析了有机太阳能电池的晶体结构在不同条件下的生成过程。通过APS，研究人员了解了某些添加剂如何影响所获得的微观结构，提供了可以提高细胞效率的新见解。
科学家们聚焦在电池的光活性层上，从薄内置膜，从阳光中吸收能量，然后将转换的能量成电流。研究人员通过旋涂技术生产了这种薄膜，这是一种广泛用于研究实验室薄膜制造的工艺。
在旋涂中，科学家将溶解在溶剂中的材料滴在纺纱表面上。这使它扩散成薄而均匀的薄片。他们将自旋涂布机安装在APS的X射线光束线上，观察胶片的晶体结构是否实时演变。
为了研究如何以完整和详细的方式形成微晶，研究人员利用特定的原位方法，称为掠入射广角X射线散射(GIWAXS)来收集X射线衍射数据。
“正是这种特定的旋涂设备的稳定性和可重复性使这项研究得以实现，”西北大学的研究生Eric Manley说，他是10月9日发表在Advanced Materials上的研究的第一作者。
该研究通过新的实验装置实现的最重要的发现是，某些添加剂如何能够显着影响薄膜结构停止变化所需的时间以及薄膜在进化过程中采用的中间结构。即使在溶剂溶解后，结构也可以在几秒到几小时内持续变化，这取决于存在的添加剂。制备的薄膜更慢，添加剂通常比更快速形成的薄膜表现更好。
“旋转涂层后，太阳能电池的生产商通常会快速进入下一步生产阶段，这有可能在结构形成时锁定形态。这可能会对电池的性能产生积极和消极的影响，”Manley说。“我们发现我们需要报告制造步骤之间的时间，以控制条件以重现优化结果。”
研究人员计划研究更复杂的结构，并研究不同的选择如何优化性能。“我们希望这将为这些细胞在日常应用中更加可行铺平道路，”物理学家兼Argonne X射线科学部门时间分辨研究小组成员Joseph Strzalka说。