太阳能电池的效率取决于聚合物的精确工程，这些聚合物组装成比人类头发薄1000倍的薄膜。
今天，聚合物组件的形成需要可能损害环境的溶剂，但能源部橡树岭国家实验室的科学家已经找到了一种“更环保”的方法来控制使用表面活性剂 - 洗涤剂 - 在水中组装光伏聚合物像分子 - 作为模板。他们的研究结果发表在英国皇家化学学会期刊Nanoscale上。
“使用表面活性剂聚合物的自组装在制造具有分子水平可控性的纳米结构方面提供了巨大的潜力，”ORNL散裂中子源(SNS)研究员，资深作者Changwoo Do说。
研究人员使用了三个DOE科学办公室用户设施 - 纳米材料科学中心(CNMS)和ORNL的SNS以及阿贡国家实验室的高级光子源(APS)来合成和表征聚合物。
“散射中子和X射线是研究这些结构的完美方法，”Do说。
该研究证明了用中子和光学探针跟踪分子动力学的价值。
“我们希望在溶液中创建非常特殊的聚合物堆积，并将其转化为薄膜，其中无瑕疵，无缺陷的聚合物组件将为光伏应用快速传输电荷，”CNMS研究员和相应作者Ilia Ivanov说。与Do. “我们证明了这可以通过了解控制聚合物聚集的动力学和热力学机制来实现。”
该成就为光电子和感官材料的设计创造了分子构建模块。它需要设计具有疏水(“节水”)骨架和亲水(“亲水”)侧链的半导体聚合物。如果努力产生可以自组装成有机光伏材料的聚合物，则水溶性侧链可以允许“绿色”加工。研究人员将聚合物添加到含有表面活性剂分子的水溶液中，该分子也具有疏水和亲水末端。根据温度和浓度，表面活性剂可自组装成不同的模板，引导聚合物包装成不同的纳米级形状 - 六边形，球形胶束和片材。
在半导体聚合物中，原子被组织成容易共享电子。该工作提供了对聚合物系统的不同结构相和重复形状的组件的生长以形成功能晶体的见解。这些晶体构成光伏薄膜的基础，在沙漠和外太空等环境中提供动力。
“在光电子学和纳米技术中长期需要合理地编码分子相互作用来统治共轭聚合物溶液中的分子几何和分子间包装顺序，”该论文的第一作者，博士后嘉华朱说。“原位表征的难度基本上阻碍了开发。”
在原位或“现场”进行测量，同时发生现象(例如分子形态的变化)。它们与从发现现象的系统中隔离材料或改变首次观察到该现象的测试条件后所进行的测量形成对比。该团队开发了一个测试室，允许他们在发生变化时使用光学探头。
中子可以探测溶液中的结构
SNS的专业技术和设备提供了世界上最强的脉冲中子束，使人们发现功能性光伏聚合物可以在环境友好的溶剂中自组装。反过来，通过称为选择性氘化的技术增强了中子散射的功效，其中聚合物中的特定氢原子被更重的氘原子取代 - 这具有提高结构中的对比度的效果。CNMS在后一种技术方面具有特色。
CNMS的作者Bobby Sumpter说：“我们需要能够看到这些分子在从一些溶液状态到某种固态状态的时间发展过程中发生了什么。” “这很难做到，但对于像聚合物和生物分子这样的分子，中子是你能想象到的最好的探测器。” 他们提供的信息指导高级材料的设计。
通过结合中子散射，高通量数据分析，理论，建模和模拟等主题的专业知识，科学家们开发了一个用于监测相变的测试室。它可以在温度，压力，湿度，光线，溶剂成分等变化的条件下跟踪分子，使研究人员能够评估工作材料如何随时间变化并帮助改善其性能。
科学家将样品放入室中并将其运送到不同的仪器进行测量。腔室具有透明面，以允许激光束进入探针材料。探测模式 - 包括光子，电荷，磁旋转和高性能计算辅助的计算 - 可以同时操作以在广泛的条件下表征物质。该腔室的设计使得将来可以使用中子和X射线作为附加和互补探针。
“原位技术的结合带来了解决方案和薄膜中材料转换的动力学和热力学方面的信息，其中结构与其不断变化的光电功能同时进行测量，”Ivanov说。“这也为研究完全组装的光伏电池以及亚稳结构提供了机会，这可能会产生未来功能材料的独特特征。”
鉴于目前的研究在升高的温度下检查了相变(即亚稳态和化学反应)，下一次原位诊断将在高压下表征它们。此外，研究人员将实施神经网络来分析具有多个反馈的复杂非线性过程。