有機太陽能技術將迎來重生!新研究模擬分子形態變化來控制能量損失

2020-12-01 前瞻網

有機太陽能技術將迎來重生！新研究模擬分子形態變化來控制能量損失

 Emma Chou • 2019-12-21 14:42:31　來源：前瞻網　E3350G2

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有一種太陽能材料雖然非常耐用，且價格低廉，但如果幾乎不能發電，也只能遺憾地無法應用，因此許多研究人員放棄了新興的有機太陽能技術。但最近，基礎化學的轉變提高了能量輸出，一項新的研究揭示了違反常理的調整使得新化學的成功。

這種轉變是從「富勒烯」向「非富勒烯受體」(NFAs)的轉變，具體術語如下：在光伏發電中，受體是一種分子，其對電子的作用就像一個棒球的捕手。相應的給體分子將電子「投」給受體「捕手」產生電流。喬治亞理工學院的化學家Jean-Luc Bredas進一步發展了這項技術，並領導了這項新的研究。

「NFAs是頭複雜的怪獸，能做到當前矽太陽能技術做不到的事情。你可以把它們塑形，做成半透明的或者有顏色的。但它們的巨大潛力在於，有可能微調它們釋放和移動電子來發電的方式。」喬治亞理工學院化學與生物化學學院的董事教授布雷達斯說。

取得進展

就在過去的四年裡，NFA化學的調整已經推動了有機光伏技術的發展，從最初只將1%的陽光轉化為電能到最近的實驗中轉化為18%的電能。相比之下，市場上已有的高質量矽太陽能組件的轉換效率約為20%。

「理論上說，如果我們能夠通過形態控制能量損失，我們應該能夠用基於NFA的有機太陽能實現超過25%的轉換。」 布雷達斯實驗室的博士後研究員、該研究的第一作者Tonghui Wang說。

形態，即分子在材料中的形狀，是NFA太陽能技術提高效率的關鍵，但這在分子水平上是如何工作的一直是個謎。這項新研究仔細地模擬了分子形狀的微小變化，並計算了一個常見的NFA電子給體/受體配對中相應的能量轉換。

改進的表現不是來自對接球手的受體的調整，也不是來自給體的投球手，而是來自類似接球手的「腳」的位置。有些位置能更好地使受體的「體」與電子給體的對齊。

「腳」是受體上的一個很小的組成部分，一個甲氧基，在四個可能的位置中有兩個位置將光轉換成電的比例從6%提高到12%。布勒達斯和Wang於2019年11月20日在《物質》雜誌上發表了他們的研究成果——基於非富勒烯小分子受體的有機太陽能電池：取代基位置的影響。這項研究是由海軍研究辦公室資助的。

笨重的矽電池

在市場上銷售的基於NFA的太陽能電池可能比矽有很多優勢，矽需要開採石英砂，像鐵一樣冶煉，像鋼一樣提純，然後切割和加工。相比之下，有機太陽能電池一開始是可以印在表面的廉價溶劑。

矽電池通常又硬又重，在高溫和光的壓力下會變弱，而基於NFA的太陽能電池則更輕、更靈活、更抗壓。它們還有更複雜的光電特性。在基於NFA的光活性層中，當光子將電子從給體分子的外層軌道激發出來時，電子就會在它們所形成的電子空穴周圍跳舞，從而為它們與受體之間的自定義切換做好準備。

當光子激發一個電子超過一個閾值時，它就脫離了軌道。它開著或關著;要麼得到一個傳導電子，要麼沒有傳導電子。」「NFA是微妙的。一個電子給體伸出一個電子，電子受體把它拽走。調整形態的能力使電子切換變得可調。」

不是一個富勒烯

顧名思義，非富勒烯受體並不是富勒烯，富勒烯是一種純碳分子，具有均勻的幾何結構，由重複的五邊形或六邊形元素組成。碳納米管、石墨烯和煤煙就是富勒烯的例子，富勒烯是以著名的建築師巴克敏斯特·富勒(Buckminster Fuller)的名字命名的，富勒以設計網格穹頂而聞名。

富勒烯在分子結構和可調性上比非富勒烯有更多的稜紋，而非富勒烯的設計更加自由，可以彎曲。基於NFA的給體和受體可以互相包裹，就像巧克力和香草麵糊在一個蛋糕盤中形成精確的漩渦，這讓它們擁有了給電子和接受電子之外的優勢——比如在材料中更好的分子包裝。

「另一個問題是受體分子是如何相互連接的，這樣被接受的電子就有了通往電極的導電路徑。」布雷達斯說。「這也適用於給體。」

與任何太陽能電池一樣，傳導電子需要離開光伏材料進入電極，而且必須有一條返回到相反電極的路徑，以便到達的電子填補離開的電子留下的空穴。

布雷達斯受到的讚譽數不勝數，但他的谷歌學術搜索h-index分數尤其受到關注。h-index分數是對一名研究人員發表的論文影響的計算。布雷達目前的分數為146分，這可能使他成為全球現代史上最具影響力的700名出版研究人員之一。

他一直是光電和半導體研究領域的領軍人物，研究的經濟實用的基礎有機化學。

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