Comportamiento mecánico [ editar ]
Comprender las propiedades mecánicas de los semiconductores orgánicos y, en particular, la amplia gama de mecanismos de falla de los dispositivos de celdas solares orgánicas en funcionamiento es fundamental para determinar la estabilidad operativa de las celdas solares orgánicas para diversas aplicaciones. Las propiedades mecánicas de las celdas solares orgánicas se pueden atribuir a intermolecular y fuerzas superficiales presentes en el material. Estos atributos no solo están influenciados por la estructura molecular, sino que también son bastante sensibles a las condiciones de procesamiento, lo que dificulta bastante el estudio de las propiedades mecánicas de las películas delgadas de polímero, como el módulo de tracción, la ductilidad y la tenacidad a la fractura bajo tensión. [113]Debido a esto, no es trivial cuantificar una "cifra de mérito" que prediga la estabilidad mecánica de un dispositivo y la robustez de un dispositivo bajo tensión dependerá de muchos factores.
Muy a menudo, el sustrato brinda soporte al dispositivo y la falla mecánica del sustrato conducirá a una eficiencia de conversión de energía subóptima del dispositivo. Por lo tanto, si bien es necesario que el sustrato proporcione soporte mecánico a la capa activa orgánica, se debe tener cuidado para garantizar que el aumento de la resistencia a la tracción del sustrato no se produzca a costa de que la película se rompa con deformaciones bajas. En general, es deseable que la capa activa se deforme junto con el sustrato. Esto es posible con un módulo elástico bajo y un límite elástico alto. La ductilidad de una película delgada se mide comúnmente como la deformación a la que aparecen las grietas en la película. Sin embargo, la deformación del inicio de la grieta también depende de otros factores, como el grado de cohesión/adhesión entre la película y el sustrato.c , definido como el trabajo requerido para romper interfaces poliméricas separadas a parámetros moleculares y condiciones de procesamiento. [114] [115] Junto con la cohesión, la trayectoria de propagación de la grieta después de la formación depende de las propiedades mecánicas del material a través del cual se propaga la grieta. En polímeros como el P3HT que presentan buena plasticidad, se forma una zona plástica en la punta de la fisura al aplicar una tensión de tracción normal al plano del dispositivo y se expande hasta quedar confinada por dominios cristalinos en la película o por un sustrato rígido. disipando así la energía de deformación y disminuyendo la cohesión entre las interfaces. [116] La técnica de pandeo mecánico también ha demostrado ser bastante exitosa para determinar los módulos elásticos de varias películas delgadas orgánicas. El método se basa en la inestabilidad de pandeo que da lugar a las arrugas en la película bajo una tensión de compresión. La longitud de onda del patrón de arrugas se puede relacionar con el módulo de tracción de la película en términos del espesor de la película y el módulo elástico del sustrato. . [117]
En el diseño de dispositivos que incorporan células solares orgánicas, Gc y la deformación en la fractura se han identificado como dos métricas que es importante considerar. La capa de heterounión a granel (BHJ) suele ser la capa más débil de una celda solar orgánica, por lo que es necesario diseñar los materiales BHJ para que sean mecánicamente estables, con un G c objetivo de 5 J m-2 y una deformación objetivo en la fractura de 20-30%. Se ha demostrado que los aceptores basados en polímeros exhiben propiedades mecánicas superiores en comparación con los aceptores de moléculas pequeñas y los aceptores basados en fullereno. Además, las propiedades mecánicas de los aceptores basados en polímeros están influenciadas por M n , el peso molecular promedio en número de las moléculas de polímero. Se determinó que las propiedades mecánicas aumentan al aumentar M n, pero sólo una vez que el Mn ha superado el M c , el peso molecular crítico en el que los enredos hacen que aumente la tasa de cambio de la viscosidad al aumentar el M n . Este fenómeno se produce porque aumentan la tasa de entrelazamiento de la cadena y la miscibilidad entre el aceptor y el donante del polímero. El efecto de estas características es que la deformación plástica de estos materiales en reacción a la tensión mecánica fue alta, lo que significa que se disipó más energía, mientras que los materiales con menos resistencia mecánica se fracturaron más fácilmente. [118]
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