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双层结构制成高效太阳能电池材料

2012-04-26 08:49
论恒
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  详细研究性能最好的有机光电材料,发现了不寻常的双层薄片结构,这有助于解释这种材料的优越性能,把阳光转换为电能,也可引导合成新材料,带来更好的性能。这项研究2012年4月24日发表在《自然•通讯》上,进行研究的科学家来自布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory),合作参与的研究人员来自石溪大学(Stony Brook University),韩国汉城国立大学(Seoul National University),德国马克斯•普朗克聚合物研究所(Max Planck Institute for Polymer Research),以及科纳卡技术公司(Konarka Technologies)。

  这种材料之所以出名,是因为名称PCDTBT(poly(N-9-heptadecanyl-2, 7-carbazole-alt-5, 5-(4,7-di-2-thienyl-2, 1, 3-benzothiadiazole)),这是一个例子,属于聚咔唑共轭聚合物(polycarbazoleconjugatedpolymer),也就是一种分子,包含链状碳主链与烷基侧链(alkylsidechains)。它可以使电子在周围移动,既可以发出电子,也可以吸收电子,这样,它就成为目前使用的最好的有机光伏材料,可以把阳光转换为电力,效率高达7.2%,用于有机太阳能电池

  PCDTBT聚合物的化学结构,以及X射线散射几何示意图。(a)PCDTBT的分子结构。(b)这一实验几何图属于入射广角X射线散射几何。来源:布鲁克海文国家实验室

  “事实上,尽管这种材料已被广泛研究,但是,没有人报道过它详细的结构特点,这种特点可以带来优越的性能,”布鲁克海文国家实验室物理学家本杰明•奥卡(Benjamin Ocko)说,他领导目前的研究。“理解为什么这种材料性能如此好,有助于科学家利用它的本质属性,设计新材料,进行一系列广泛的应用,用于显示器,固态照明,晶体管,也可改进太阳能电池,”他说。

  为了探测这种分子的结构,研究小组把PCDTBT薄膜暴露于高强度X射线束,采用的是布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源(NSLS:National Synchrotron Light Source),采用了高分辨率X射线散射技术。不同的是,以往的研究都是采用不太强的X射线,而这些研究揭示了高温下形成的晶状相(crystalline-like phase)。此外,这些模式是由衍射X射线产生的,它们表明,这种结构包含共轭主链对(conjugated backbone pairs)层,这种模式显著不同于单主链结构,单主链结构见于迄今研究的所有其他有机光伏材料。

  鲁新会(Xinhui Lu)是论文的第一作者,他指出,通过分析这些散射模式,他们发现了波动性,就沿着这些聚合物主链,也发现了邻近主链中的波动如何相互转移。进行分子模型模拟,研究人员能够预测,哪种聚合物主链配置最稳定。

  PCDTBT薄膜衍射图案,单元和双层特征。来源:布鲁克海文国家实验室

  在共轭聚合物中,主链提供导电路径,而烷基侧链类似简单的油,提供加工所需的溶解度。虽然很必要,但是,这些侧链会干扰聚合物的电气性能。PCDTBT很新颖,科学家们说,因为它的主要成分是主链,只有很少的烷基材料。“类似油和水,这种聚合物共轭主链对会发生相分离,离开它们的烷基侧链,产生双层结构,”大卫•基麦克(David Germack)说,他是论文的合著者。正是这种结构特征带来了材料的优良电气性能,这种认识可以指导设计新的有机太阳能材料。

  “虽然我们自己有很多专业知识,熟悉化学合成和有机太阳能设备制造,但是,我们缺乏深入的结构表征工具,在布鲁克海文实验室就是这样,”杰夫•皮特(Jeff Peet)说,他是科纳卡技术公司的资深科学家,这家公司领先开发和推广有机太阳能电池。“这种类型的工具,以及在布鲁克海文国家实验室与同事的合作研究,可以澄清这些材料之间的微妙差别,给予我们敏锐的洞察力,了解应该如何设计下一代太阳能电池材料。“

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