双层结构制成高效太阳能电池材料

在共轭聚合物中，主链提供导电路径，烷基侧链类似简单的油，提供工艺所需的溶解度。

详细研究性能最好的有机光电材料，发现了不寻常的双层薄片结构，这有助于解释这种材料的优越性能，把阳光转换为电能，也可引导合成新材料，带来更好的性能。这项研究2012年4月24日发表在《自然•通讯》上，进行研究的科学家来自布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory），合作参与的研究人员来自石溪大学（Stony Brook University），韩国汉城国立大学（Seoul National University），德国马克斯•普朗克聚合物研究所（Max Planck Institute for Polymer Research），以及科纳卡技术公司（Konarka Technologies）。


这种材料之所以出名，是因为名称PCDTBT（poly(N-9-heptadecanyl-2,7- carbazole-alt-5,5-(4,7-di-2-thienyl-2,1,3-benzothiadiazole)），这是一个例子，属于聚咔唑共轭聚合物（polycarbazole conjugated polymer），也就是一种分子，包含链状碳主链与烷基侧链（alkyl side chains）。它可以使电子在周围移动，既可以发出电子，也可以吸收电子，这样，它就成为目前使用的最好的有机光伏材料，可以把阳光转换为电力，效率高达7.2％，用于有机太阳能电池。

“事实上，尽管这种材料已被广泛研究，但是，没有人报道过它详细的结构特点，这种特点可以带来优越的性能，”布鲁克海文国家实验室物理学家本杰明•奥卡（Benjamin Ocko）说，他领导目前的研究。“理解为什么这种材料性能如此好，有助于科学家利用它的本质属性，设计新材料，进行一系列广泛的应用，用于显示器，固态照明，晶体管，也可改进太阳能电池，”他说。

为了探测这种分子的结构，研究小组把PCDTBT薄膜暴露于高强度X射线束，采用的是布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源（NSLS：National Synchrotron Light Source），采用了高分辨率X射线散射技术。不同的是，以往的研究都是采用不太强的X射线，而这些研究揭示了高温下形成的晶状相（crystalline-like phase）。此外，这些模式是由衍射X射线产生的，它们表明，这种结构包含共轭主链对（conjugated backbone pairs）层，这种模式显著不同于单主链结构，单主链结构见于迄今研究的所有其他有机光伏材料。

鲁新会（Xinhui Lu）是论文的第一作者，他指出，通过分析这些散射模式，他们发现了波动性，就沿着这些聚合物主链，也发现了邻近主链中的波动如何相互转移。进行分子模型模拟，研究人员能够预测，哪种聚合物主链配置最稳定。

PCDTBT薄膜衍射图案，单元和双层特征。来源：布鲁克海文国家实验室
 

在共轭聚合物中，主链提供导电路径，而烷基侧链类似简单的油，提供加工所需的溶解度。虽然很必要，但是，这些侧链会干扰聚合物的电气性能。PCDTBT很新颖，科学家们说，因为它的主要成分是主链，只有很少的烷基材料。“类似油和水，这种聚合物共轭主链对会发生相分离，离开它们的烷基侧链，产生双层结构，”大卫•基麦克（David Germack）说，他是论文的合著者。正是这种结构特征带来了材料的优良电气性能，这种认识可以指导设计新的有机太阳能材料。

“虽然我们自己有很多专业知识，熟悉化学合成和有机太阳能设备制造，但是，我们缺乏深入的结构表征工具，在布鲁克海文实验室就是这样，”杰夫•皮特（Jeff Peet）说，他是科纳卡技术公司的资深科学家，这家公司领先开发和推广有机太阳能电池。“这种类型的工具，以及在布鲁克海文国家实验室与同事的合作研究，可以澄清这些材料之间的微妙差别，给予我们敏锐的洞察力，了解应该如何设计下一代太阳能电池材料。”

更多信息：《聚咔唑共轭聚合物的双层秩序》（Bilayer order in a polycarbazole-conjugated polymer），《自然•通信》，2012年4月24日。