雙層結構光伏材料能效更高
2012-05-13 21:57:28 本站原創日前，美國能源部布魯克海文國家實驗室的科學家在《自然通訊》雜志上發表了一項研究。在對目前性能最好的有機光電材料進行詳細分析時，發現了一種不同尋常的雙層薄片結構。這一發現有助于解釋該材料在將陽光轉換為電能時，所表現出的優越性能，進而引導新材料的合成，以期進一步提高轉換效率。參與研究的機構人員還包括：石溪大學、韓國漢城國立大學、德國馬克斯·普朗克聚合物研究所，以及科納卡技術公司的研究人員。
這種材料的知名得益于“PCDTBT”，該物質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鏈的一種分子。該物質可以使電子在其周圍移動，既可以發出電子，且可以吸收電子。因此，就使得該物質成為目前使用的最好的有機光伏材料。其應用于有機太陽能電池上，可以把陽光轉換為電力的效率提高7.2%。
目前領導該項研究的布魯克海文國家實驗室物理學家本杰明·奧卡說：“事實上，盡管這種材料已經被廣泛研究和使用，但迄今為止，還沒有人詳細分析過其結構特點。正是這種特點，讓該材料擁有優越的性能。深入理解為什么這種材料擁有如此好的性能，可以幫助科學家進一步利用其本質屬性，設計新材料更廣泛的應用領域。包括顯示器、固態照明、晶體管等，也可以改進太陽能電池。”
不同于以往的研究，為了探測出這種分子的結構，研究人員把“PCDTBT”薄膜暴露在高強度X射線下，采用高分辨率X射線散射技術，使用布魯克海文國家實驗室的國家同步輻射光源（NSLS）。結果顯示，該分子在高溫下形成晶體狀相。此外，由衍射X射線產生的模式表明，這種結構包含共軛主鏈對層，顯著區別于當下研究的所有有機光伏材料所展現的單主鏈結構。
論文第一作者盧新輝指出，通過分析散射模式，可以發現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移。通過開展分子模型的模擬，研究人員可以預測出哪些聚合物主鏈的配置能達到最穩定的狀態。
在共軛聚合物中，主鏈提供了導電的路徑，而烷基側鏈類似簡單的油類，提供了加工所需的溶解度。盡管溶解度是必要的，但這些側鏈會干擾聚合物的電氣性能。科學家們認為，“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。好比是油和水的關系，這種聚合物共軛主鏈對會分離，從其烷基側鏈分離后，形成雙層結構。正是這種結構特征帶來了材料的優良電氣性能，這種認知可以指導設計出新的有機太陽能材料。
全球領先的開發和推廣有機太陽能電池的科納卡技術公司，其資深科學家杰夫·皮特表示：“盡管我們掌握了化學合成和有機太陽能設備制造的專業知識，但是還缺乏可以深入到結構特性化的工具。布魯克海文實驗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，應該如何設計下一代的太陽能電池材料。”
