雙層結構制成高效太陽能光伏電池材料

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，把陽光轉換為電能，也可引導合成新材料，帶來更好的性能。這項研究2012年4月24日發(fā)表在《自然middot;通訊》上，進行研究的科學家來自布魯克海文國家實驗室（BrookhavenNationalLaboratory），合作參與的研究人員來自石溪大學（StonyBrookUniversity），韓國漢城國立大學（SeoulNationalUniversity），德國馬克斯middot;普朗克聚合物研究所（MaxPlanckInstituteforPolymerResearch），以及科納卡技術公司（KonarkaTechnologies）。

這種材料之所以出名，是因為名稱PCDTBT（poly(N-9-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4,7-di-2-thienyl-2,1,3-benzothiadiazole)），這是一個例子，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）。它可以使電子在周圍移動，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，可以把陽光轉換為電力，效率高達7.2％，用于有機太陽能光伏電池。

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

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

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射線束，采用的是布魯克海文國家實驗室的國家同步輻射光源（NSLS：NationalSynchrotronLightSource），采用了高分辨率X射線散射技術。不同的是，以往的研究都是采用不太強的X射線，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射線產生的，它們表明，這種結構包含共軛主鏈對（conjugatedbackbonepairs）層，這種模式顯著不同于單主鏈結構，單主鏈結構見于迄今研究的所有其他有機光伏材料。

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

PCDTBT薄膜衍射圖案，單元和雙層特征。來源：布魯克海文國家實驗室

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

“雖然我們自己有很多專業(yè)知識，熟悉化學合成和有機太陽能設備制造，但是，我們缺乏深入的結構表征工具，在布魯克海文實驗室就是這樣，”杰夫middot;皮特（JeffPeet）說，他是科納卡技術公司的資深科學家，這家公司領先開發(fā)和推廣有機太陽能電池。“這種類型的工具，以及在布魯克海文國家實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能光伏電池材料。