有机太阳能电池中分子的更好排列可以提高光吸收率

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在《自然化学》上发表的一篇论文中，剑桥大学、伦敦帝国理工学院和伦敦玛丽女王大学的研究人员首次展示了有机太阳能电池中分子的不同排列如何改善光吸收，为生产更好、更便宜的太阳能电池板铺平了道路。
有机太阳能电池使用小有机分子或有机聚合物吸收阳光并将其转化为电能。这些分子可以高通量合成生产，制成的电池重量轻、灵活且制造成本低。这使得它们比传统的硅电池更便宜、更可持续、更灵活。
当光照射到有机太阳能电池上时，它会迫使分子转移电子，从而产生电流。这个过程的效率取决于分子的排列和它们相互作用的程度。
一个问题是，有机太阳能电池的效率仍然远低于硅太阳能电池。能够理解和改进电池中的分子排列是提高电池效率和商业竞争力的关键。然而，分子结构很难表征，因为它们深埋在系统内部，其结构仍然是个谜。
现在，该部门的共同第一作者 Jeroen Royakkers 和伦敦帝国理工学院物理系的 Hanbo Yang 提出了一种构建模型界面的新方法，这将使科学家能够详细研究分子结构，以确定哪些结构更有效。
Royakkers 和 Yang 设计了一种合成策略来设计和控制模型界面。然后他们利用这些界面研究和模拟不同位置的分子转移效率。
“一个关键的方法是模拟这些材料的分子动力学，然后将其用作‘快照’，再将其放回量子力学模拟中。在室温下，这些材料非常灵活，并且不断移动，”伦敦帝国理工学院的合著者贾维斯特·摩尔·弗罗斯特博士说。
“然后我们可以直接模拟激光测量，但我们可以从计算中获得有关电子的量子力学波函数从何处移动和向何处移动的信息。”
“这项研究的目的是研究控制初始电荷分离过程的过程，而不是在这些设备中实现高能量转换效率，”Royakkers 说。“但我们的模型确实展示了一种新的设计策略，可以提高光子到电能的转换效率。”
“我们的研究通过分析光收集分子发出的光的颜色，深入探究了光收集分子的内部工作原理，”论文合著者、伦敦玛丽女王大学绿色能源讲师 Flurin Eisner 博士说道。“我们观察到排列成不同结构的分子之间存在明显的颜色变化。
“这告诉我们，分子的排列对于它们分离电荷的效率非常重要，这对于太阳能电池的性能至关重要。令人兴奋的是，我们的实验与理论预测非常吻合，巩固了我们对这些材料的理解。这为开发效率更高的下一代有机太阳能电池铺平了道路。”
“我们在这项研究中表明，这些分子的某些排列方式可以使这个过程变得更好，这意味着我们现在可以设计新材料来提高太阳能电池板的效率，”在该系和物理系担任联合职务的 Hugo Bronstein 教授说，他与伦敦帝国理工学院的 Jenny Nelson 教授和 Jarvist Moore Frost 博士一起领导了这项研究。
更多信息： Royakkers, J. 等人。模型异质结界面的合成揭示了分子构型依赖的光诱导电荷转移。《自然化学》。（2024 年）。DOI ：10.1038/s41557-024-01578-x
期刊信息： Nature Chemistry