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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。”(焦旭)( 责任编辑：管理员 ) |
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