雙層結構製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，發現了不尋常的雙層薄片結構，這有助於解釋這種材料的優越性能，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）。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/177406.htm

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，屬於聚咔唑共軛聚合物（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％，用於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）這一實驗幾何圖屬於入射廣角X射線散射幾何。來源：布魯克海文國家實驗室

「事實上，儘管這種材料已被廣泛研究，但是，沒有人報導過它詳細的結構特點，這種特點可以帶來優越的性能，」布魯克海文國家實驗室物理學家班傑明middot;奧卡（BenjaminOcko）說，他領導目前的研究。「理解為什麼這種材料性能如此好，有助於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，用於顯示器，固態照明，電晶體，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薄膜暴露於高強度X射線束，採用的是布魯克海文國家實驗室的國家同步輻射光源（NSLS：NationalSynchrotronLightSource），採用了高解析度X射線散射技術。不同的是，以往的研究都是採用不太強的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，這種模式顯著不同於單主鏈結構，單主鏈結構見於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，他們發現了波動性，就沿著這些聚合物主鏈，也發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定。

PCDTBT薄膜衍射圖案，單元和雙層特徵。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生相分離，離開它們的烷基側鏈，產生雙層結構，」大衛middot;基麥克（DavidGermack）說，他是論文的合著者。正是這種結構特徵帶來了材料的優良電氣性能，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知識，熟悉化學合成和有機太陽能設備製造，但是，我們缺乏深入的結構表徵工具，在布魯克海文實驗室就是這樣，」傑夫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。