雙層結構制成高效太陽(yáng)能光伏電池材料

詳細研究性能最好的有機光電材料，發(fā)現了不尋常的雙層薄片結構，這有助于解釋這種材料的優(yōu)越性能，把陽(yáng)光轉換為電能，也可引導合成新材料，帶來(lái)更好的性能。這項研究2012年4月24日發(fā)表在《自然middot;通訊》上，進(jìn)行研究的科學(xué)家來(lái)自布魯克海文國家實(shí)驗室（BrookhavenNationalLaboratory），合作參與的研究人員來(lái)自石溪大學(xué)（StonyBrookUniversity），韓國漢城國立大學(xué)（SeoulNationalUniversity），德國馬克斯middot;普朗克聚合物研究所（MaxPlanckInstituteforPolymerResearch），以及科納卡技術(shù)公司（KonarkaTechnologies）。

這種材料之所以出名，是因為名稱(chēng)PCDTBT（poly(N-9-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4,7-di-2-thienyl-2,1,3-benzothiadiazole)），這是一個(gè)例子，屬于聚咔唑共軛聚合物（polycarbazoleconjugatedpolymer），也就是一種分子，包含鏈狀碳主鏈與烷基側鏈（alkylsidechains）。它可以使電子在周?chē)苿?dòng)，既可以發(fā)出電子，也可以吸收電子，這樣，它就成為目前使用的最好的有機光伏材料，可以把陽(yáng)光轉換為電力，效率高達7.2％，用于有機太陽(yáng)能光伏電池。

PCDTBT聚合物的化學(xué)結構，以及X射線(xiàn)散射幾何示意圖。（a）PCDTBT的分子結構。（b）這一實(shí)驗幾何圖屬于入射廣角X射線(xiàn)散射幾何。來(lái)源：布魯克海文國家實(shí)驗室

“事實(shí)上，盡管這種材料已被廣泛研究，但是，沒(méi)有人報道過(guò)它詳細的結構特點(diǎn)，這種特點(diǎn)可以帶來(lái)優(yōu)越的性能，”布魯克海文國家實(shí)驗室物理學(xué)家本杰明middot;奧卡（BenjaminOcko）說(shuō)，他領(lǐng)導目前的研究。“理解為什么這種材料性能如此好，有助于科學(xué)家利用它的本質(zhì)屬性，設計新材料，進(jìn)行一系列廣泛的應用，用于顯示器，固態(tài)照明，晶體管，也可改進(jìn)太陽(yáng)能電池，”他說(shuō)。

為了探測這種分子的結構，研究小組把PCDTBT薄膜暴露于高強度X射線(xiàn)束，采用的是布魯克海文國家實(shí)驗室的國家同步輻射光源（NSLS：NationalSynchrotronLightSource），采用了高分辨率X射線(xiàn)散射技術(shù)。不同的是，以往的研究都是采用不太強的X射線(xiàn)，而這些研究揭示了高溫下形成的晶狀相（crystalline-likephase）。此外，這些模式是由衍射X射線(xiàn)產(chǎn)生的，它們表明，這種結構包含共軛主鏈對（conjugatedbackbonepairs）層，這種模式顯著(zhù)不同于單主鏈結構，單主鏈結構見(jiàn)于迄今研究的所有其他有機光伏材料。

魯新會(huì )（XinhuiLu）是論文的第一作者，他指出，通過(guò)分析這些散射模式，他們發(fā)現了波動(dòng)性，就沿著(zhù)這些聚合物主鏈，也發(fā)現了鄰近主鏈中的波動(dòng)如何相互轉移。進(jìn)行分子模型模擬，研究人員能夠預測，哪種聚合物主鏈配置最穩定。

PCDTBT薄膜衍射圖案，單元和雙層特征。來(lái)源：布魯克海文國家實(shí)驗室

在共軛聚合物中，主鏈提供導電路徑，而烷基側鏈類(lèi)似簡(jiǎn)單的油，提供加工所需的溶解度。雖然很必要，但是，這些側鏈會(huì )干擾聚合物的電氣性能。PCDTBT很新穎，科學(xué)家們說(shuō)，因為它的主要成分是主鏈，只有很少的烷基材料。“類(lèi)似油和水，這種聚合物共軛主鏈對會(huì )發(fā)生相分離，離開(kāi)它們的烷基側鏈，產(chǎn)生雙層結構，”大衛middot;基麥克（DavidGermack）說(shuō)，他是論文的合著(zhù)者。正是這種結構特征帶來(lái)了材料的優(yōu)良電氣性能，這種認識可以指導設計新的有機太陽(yáng)能材料。

“雖然我們自己有很多專(zhuān)業(yè)知識，熟悉化學(xué)合成和有機太陽(yáng)能設備制造，但是，我們缺乏深入的結構表征工具，在布魯克海文實(shí)驗室就是這樣，”杰夫middot;皮特（JeffPeet）說(shuō)，他是科納卡技術(shù)公司的資深科學(xué)家，這家公司領(lǐng)先開(kāi)發(fā)和推廣有機太陽(yáng)能電池。“這種類(lèi)型的工具，以及在布魯克海文國家實(shí)驗室與同事的合作研究，可以澄清這些材料之間的微妙差別，給予我們敏銳的洞察力，了解應該如何設計下一代太陽(yáng)能光伏電池材料。