雙層結(jié)構(gòu)光伏材料能效更高
2012-05-13 21:57:28 本站原創(chuàng)日前，美國能源部布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在《自然通訊》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究。在對目前性能最好的有機(jī)光電材料進(jìn)行詳細(xì)分析時，發(fā)現(xiàn)了一種不同尋常的雙層薄片結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)有助于解釋該材料在將陽光轉(zhuǎn)換為電能時，所表現(xiàn)出的優(yōu)越性能，進(jìn)而引導(dǎo)新材料的合成，以期進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率。參與研究的機(jī)構(gòu)人員還包括：石溪大學(xué)、韓國漢城國立大學(xué)、德國馬克斯·普朗克聚合物研究所，以及科納卡技術(shù)公司的研究人員。
這種材料的知名得益于“PCDTBT”，該物質(zhì)屬于聚咔唑共軛聚合物的一種，同時也是包含鏈狀碳主鏈與烷基側(cè)鏈的一種分子。該物質(zhì)可以使電子在其周圍移動，既可以發(fā)出電子，且可以吸收電子。因此，就使得該物質(zhì)成為目前使用的最好的有機(jī)光伏材料。其應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池上，可以把陽光轉(zhuǎn)換為電力的效率提高7.2%。
目前領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)研究的布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家本杰明·奧卡說：“事實(shí)上，盡管這種材料已經(jīng)被廣泛研究和使用，但迄今為止，還沒有人詳細(xì)分析過其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。正是這種特點(diǎn)，讓該材料擁有優(yōu)越的性能。深入理解為什么這種材料擁有如此好的性能，可以幫助科學(xué)家進(jìn)一步利用其本質(zhì)屬性，設(shè)計(jì)新材料更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。包括顯示器、固態(tài)照明、晶體管等，也可以改進(jìn)太陽能電池。”
不同于以往的研究，為了探測出這種分子的結(jié)構(gòu)，研究人員把“PCDTBT”薄膜暴露在高強(qiáng)度X射線下，采用高分辨率X射線散射技術(shù)，使用布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的國家同步輻射光源（NSLS）。結(jié)果顯示，該分子在高溫下形成晶體狀相。此外，由衍射X射線產(chǎn)生的模式表明，這種結(jié)構(gòu)包含共軛主鏈對層，顯著區(qū)別于當(dāng)下研究的所有有機(jī)光伏材料所展現(xiàn)的單主鏈結(jié)構(gòu)。
論文第一作者盧新輝指出，通過分析散射模式，可以發(fā)現(xiàn)其波動性是沿著這些聚合物主鏈變化，并同鄰近主鏈中的波動相互轉(zhuǎn)移。通過開展分子模型的模擬，研究人員可以預(yù)測出哪些聚合物主鏈的配置能達(dá)到最穩(wěn)定的狀態(tài)。
在共軛聚合物中，主鏈提供了導(dǎo)電的路徑，而烷基側(cè)鏈類似簡單的油類，提供了加工所需的溶解度。盡管溶解度是必要的，但這些側(cè)鏈會干擾聚合物的電氣性能。科學(xué)家們認(rèn)為，“PCDTBT”的新奇之處在于，其主要成分是主鏈，只有很少的烷基材料。好比是油和水的關(guān)系，這種聚合物共軛主鏈對會分離，從其烷基側(cè)鏈分離后，形成雙層結(jié)構(gòu)。正是這種結(jié)構(gòu)特征帶來了材料的優(yōu)良電氣性能，這種認(rèn)知可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)出新的有機(jī)太陽能材料。
全球領(lǐng)先的開發(fā)和推廣有機(jī)太陽能電池的科納卡技術(shù)公司，其資深科學(xué)家杰夫·皮特表示：“盡管我們掌握了化學(xué)合成和有機(jī)太陽能設(shè)備制造的專業(yè)知識，但是還缺乏可以深入到結(jié)構(gòu)特性化的工具。布魯克海文實(shí)驗(yàn)室擁有這種類型的工具，再加上與同行之間的合作研究，可以使我們明白材料之間的微妙差別，賦予我們敏銳的洞察力。讓我們了解到，應(yīng)該如何設(shè)計(jì)下一代的太陽能電池材料。”
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