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双层结构光伏材料能效更高
发布时间: 2012/5/15  

  4月24日,美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家在《自然通讯》杂志上发表了一项研究。在对目前性能最好的有机光电材料进行详细分析时,发现了一种不同寻常的双层薄片结构。这一发现有助于解释该材料在将阳光转换为电能时,所表现出的优越性能,进而引导新材料的合成,以期进一步提高转换效率。参与研究的机构人员还包括:石溪大学、韩国汉城国立大学、德国马克斯。普朗克聚合物研究所,以及科纳卡技术公司的研究人员。

  这种材料的知名得益于“PCDTBT”,该物质属于聚咔唑共轭聚合物的一种,同时也是包含链状碳主链与烷基侧链的一种分子。该物质可以使电子在其周围移动,既可以发出电子,且可以吸收电子。因此,就使得该物质成为目前使用的最好的有机光伏材料。其应用于有机太阳能电池上,可以把阳光转换为电力的效率提高7.2%.目前领导该项研究的布鲁克海文国家实验室物理学家本杰明。奥卡说:“事实上,尽管这种材料已经被广泛研究和使用,但迄今为止,还没有人详细分析过其结构特点。正是这种特点,让该材料拥有优越的性能。深入理解为什么这种材料拥有如此好的性能,可以帮助科学家进一步利用其本质属性,设计新材料更广泛的应用领域。包括显示器、固态照明、晶体管等,也可以改进太阳能电池。”

  不同于以往的研究,为了探测出这种分子的结构,研究人员把“PCDTBT”薄膜暴露在高强度X射线下,采用高分辨率X射线散射技术,使用布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源(NSLS)。结果显示,该分子在高温下形成晶体状相。此外,由衍射X射线产生的模式表明,这种结构包含共轭主链对层,显著区别于当下研究的所有有机光伏材料所展现的单主链结构。

  论文第一作者卢新辉指出,通过分析散射模式,可以发现其波动性是沿着这些聚合物主链变化,并同邻近主链中的波动相互转移。通过开展分子模型的模拟,研究人员可以预测出哪些聚合物主链的配置能达到最稳定的状态。

  在共轭聚合物中,主链提供了导电的路径,而烷基侧链类似简单的油类,提供了加工所需的溶解度。尽管溶解度是必要的,但这些侧链会干扰聚合物的电气性能。科学家们认为,“PCDTBT”的新奇之处在于,其主要成分是主链,只有很少的烷基材料。好比是油和水的关系,这种聚合物共轭主链对会分离,从其烷基侧链分离后,形成双层结构。正是这种结构特征带来了材料的优良电气性能,这种认知可以指导设计出新的有机太阳能材料。

  全球领先的开发和推广有机太阳能电池的科纳卡技术公司,其资深科学家杰夫。皮特表示:“尽管我们掌握了化学合成和有机太阳能设备制造的专业知识,但是还缺乏可以深入到结构特性化的工具。布鲁克海文实验室拥有这种类型的工具,再加上与同行之间的合作研究,可以使我们明白材料之间的微妙差别,赋予我们敏锐的洞察力。让我们了解到,应该如何设计下一代的太阳能电池材料。”

 
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