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雙層結構制成高效太陽能光伏鋰離子電池材料

鉅大LARGE  |  點擊量:538次  |  2022年03月30日  

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,這有助于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年四月二十四日發表在《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)。


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。理解為何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射線出現的,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。

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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,單元和雙層特點。來源:布魯克海文國家實驗室


在共軛聚合物中,主鏈供應導電路徑,而烷基側鏈類似簡單的油,供應加工所需的溶解度。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,因為它的重要成分是主鏈,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,出現雙層結構,大衛middot;基麥克(DavidGermack)說,他是論文的合著者。正是這種結構特點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。


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