阿尔贡国家实验室 信用:tanleimages/Shutterstock 创造下一代太阳能电池和传感器需要仔细观察光如何与光敏材料相互作用
美国的研究
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美国能源部阿贡国家实验室正利用灵活、高效的太阳能电池和尖端光学工具，将这种认识推向未来
为了利用有机材料设计利用光的新技术，科学家们正在探索起作用的基本分子功能
例如，使用特别设计的碳基组件可以实现柔性薄膜太阳能电池或光伏发电
这种材料可以实现从有色发电窗户到便携式充电器的所有功能，将太阳能扩展到传统的硅基屋顶板之外
然而，关于这些有机光伏电池的哪些构件将提供高效率、耐久性和低成本，还有很多有待发现
“在某些方面，今天的光伏就像早期的汽车工业一样，”阿尔贡物理化学家、西北大学教授理查德·夏勒说
“十几个或更多不同的工程和材料方法都旨在利用太阳能，但它们针对多个确定的市场，并对不同的成本和性能驱动因素做出响应
" 这种材料从像硅这样的厚的、高纯度的晶体无机物到低成本、薄得多的有机塑料和小分子，它们需要较少的初始能量输入来制造
有机太阳能电池的核心由称为电子供体和电子受体的独立区域组成
当来自阳光的光子到达这些区域时，光子将能量储存到带负电的电子中，这些电子被激发并在电子所在的地方产生带正电的空穴
这些电子空穴对由于电荷相反而粘在一起，被称为激子
当激子遇到施主和受主之间的界面时，它们可以分裂，促进向一个电极移动的电子和向另一个电极移动的空穴的单独转移，产生电流
阿贡的杰出研究员、西北大学化学教授陈琳说，被称为富勒烯的球形中空碳分子是细胞内很好的受体，但富勒烯也有缺点
“富勒烯很难合成，按重量计算比黄金还贵，”她说
“寻找非富勒烯受体是一个正在进行的过程，这种受体对于长寿命有机太阳能电池来说具有成本效益和鲁棒性
" 陈、谢勒和他的同事正在研究苝酰二胺()衍生物，这是一类廉价颜料，是富勒烯的潜在替代品
在最近的一项研究中，研究人员检测了由芝加哥大学化学教授于及其同事合成的六种偏微分方程
目的是观察分子结构的变化如何影响光转换效率
这些PDI分子被连接成称为二聚体的一对，以增强它们与供体物质的电子通讯
该研究比较了这些二聚体与不同长度和刚性的接头之间的活性
这项研究发表在2020年6月的《化学科学》杂志上，结合了合作者的实验和理论知识，为光伏电池组装了迄今为止最全面的不同PDI结构表征
在实验方面，研究人员用超快发射和瞬态吸收光谱检测了二聚体，以实时测量激子产生、演化和衰变的动力学
这些光学研究是在阿贡纳米材料中心(CNM)进行的，该中心是美国能源部科学办公室的一个用户设施，通过记录光子被材料吸收或发射时的不同光谱来帮助灵敏地跟踪激子活动
这项研究的合著者、西北大学化学教授乔治·沙茨(George Schatz)通过综合计算验证了时间分辨光测量的有效性，他和同事们一起研究了这些分子中能级的结构依赖性，例如两个偏微分方程之间的连接如何改变它们之间的电子流密度
在另一项研究中，陈、谢勒和他的同事评估了组装分子的激子活性，这种组装分子被称为二维共价有机框架，COFs，由研究合著者威廉·迪特尔和他在西北大学的同事设计
钴酸盐有潜力用于发光二极管、化学传感器和光伏——它们的几何精度有助于高效的能量传输
但是对于电子在这些新兴材料中的实际行为却知之甚少
2D互补金属氧化物半导体类似雪花，可以堆叠或连接形成电子传输网络
当它们结合在一起时，它们的性质会发生变化，研究人员想知道为什么
他们检查了这些晶体结构，再次使用了美国西北大学和CNM大学的瞬态吸收光谱学，以及美国能源部科学办公室在阿尔贡的用户设施“高级光子源”的杜邦-西北-陶氏合作访问团队的束线
粉末散射光线的程度使得用光谱学来表征变得困难
为了解决这个问题，研究人员创造了一种CoF的胶体溶液，使得光物理表征成为可能，否则这是不可能的
夏勒说:“胶体钴铁处于相当早期的阶段。”
“在过去，它们只是被制成固体粉末，所以即使只是研究它们的性质也是一个挑战，威廉·迪特尔已经能够打破这一挑战
" 光谱学被用来测量电子活动，而脱氧核糖核酸-计算机辅助翻译束线有助于测量钴酸盐晶体畴的大小和分子堆积
陈说:“我们在光子晶体光纤中发现了非常高的激子迁移率，这是出乎意料的。”
“这些发现增强了这些结构在潜在光电应用方面的前景
" 该团队的研究结果在去年7月发表在《美国化学学会杂志》上的论文《超快激子动力学揭示的不同畴尺寸的二维共价有机框架中的大激子扩散系数》中有详细描述
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