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在几乎废弃的有机太阳能技术重生背后的调整

能源 2019-12-24 18:05:36

遗憾的是,如果一种太阳能材料几乎不发电,那么它非常耐用且价格适中,也无法使用,因此许多研究人员放弃了新兴的有机太阳能技术。但是最近,基础化学的转变提高了功率输出, 一项新的研究表明, 违反直觉的调整使新化学成功了。

从“富勒烯”到“非富勒烯受体”(NFA)的转变(以下详述),在光伏发电中,该受体是一种分子,具有电子学的功能,就像捕手一样。相应的供体分子将电子“倾角”到受体“捕捉剂”以产生电流。 佐治亚理工学院的化学家让·卢克·布雷达斯(Jean-LucBrédas)受到高度赞扬,推动了这项技术的发展,并领导了这项新研究。

“ NFA是复杂的野兽,其作用是当前硅太阳能技术所不具备的。您可以将它们成形,使其半透明或着色。但是它们的巨大潜力在于可以微调它们释放和移动电子以产生电能的方式,” 佐治亚理工学院化学与生物化学学院摄政教授布雷达斯说 。

在硅上获得

在最近的四年中,调整NFA化学性质已将有机光伏技术从最初仅将1%的阳光转化为电能提升到最近的18%的转化率。相比之下,市场上已有的高质量硅太阳能电池组件的转换率约为20%。

Brédas实验室的博士后研究员,该研究的第一作者王同辉说:“理论上说,如果我们能够通过形态来控制能量损失,那么我们就可以使用基于NFA的有机太阳能实现25%以上的转化率。”

形态,即分子在材料中的形状,是NFA太阳能技术提高效率的关键,但是在分子水平上如何运作一直是个谜。这项新研究仔细模拟了对分子形状的细微调整,并计算了普通NFA电子供体/受体对中的相应能量转换。

改进的性能并非来自于对接球手的隐喻调整,也不在于施主的投球手,而是来自类似于接球手脚部位置的调整。一些位置使受体的“主体”与电子供体的“主体”更好地对齐。

“脚”是受体上的微小成分,即 甲氧基,在四个可能的位置中,有两个位置将光转化为电能的比例从6%提高到12%。Brédas和Wang 在《物质》杂志上发表了他们的研究,《 基于非富勒烯小分子受体的有机太阳能电池:取代基位置的影响》。该研究由海军研究办公室资助。

笨重的硅电池

市售的基于NFA的太阳能电池可能比硅具有许多优势 ,后者需要开采 石英砾石,将其像铁一样冶炼,像钢一样净化,然后切割和加工。相比之下,有机太阳能电池起初是廉价的溶剂,可以印在表面上。

硅电池通常会变硬,变重,并在热和轻应力作用下变弱,而基于NFA的太阳能电池则轻巧,柔韧且耐应力。它们还具有更复杂的光电性能。在基于NFA的光敏层中,当光子将电子从供体分子的外部轨道中激发出来时,电子在 它们所形成的电子空穴周围 跳动,从而为将其定制转移到受体上做好了准备。

“当光子将电子激发超过阈值时,硅会将其弹出轨道。开启或关闭;您要么得到传导电子,要么就没有传导电子。”同时担任佐治亚理工学院分子设计系Vasser Woolley主席的布雷达斯说。“ NFA很微妙。电子给体伸出电子,电子受体将其拉走。调整形态的能力使电子切换可调。”

不是富勒烯

顾名思义,非富勒烯受体不是 富勒烯,它们是纯碳分子,具有重复五边形或六边形元素的相当均匀和几何结构。纳米管,石墨烯和煤烟是富勒烯的例子,富勒烯以建筑师大地测量圆顶闻名的建筑师巴克敏斯特·富勒(Buckminster Fuller)的名字命名。

与非富勒烯相比,富勒烯在分子结构和可调性上的脊度更高,非富勒烯更自由地设计为松散和可弯曲的。基于NFA的供体和受体可以像在Bundt蛋糕中的巧克力和香草糊状物一样精确地缠绕在一起,从而赋予它们超越电子供体和接受的优势-例如更好地填充材料中的分子。

布雷达斯说:“另一点是受体分子如何相互连接,从而使被接受的电子具有通往电极的导电路径。” “这也适用于捐助者。”

像在任何太阳能电池中一样,传导电子需要从光伏材料进入电极的通道,并且必须有一条通往相对电极的返回路径,以使电子到达以填充留下的电子。

极具影响力的引文

Brédas的赞誉很多,但他的Google Scholar h-index分数尤其引人注目 ,该分数是对研究人员出版物影响的一种计算。布雷达(Breda)目前的得分为146,可能使他跻身现代全球历史上700位影响最大的已发表研究人员之列。

他在基于可负担和实用的有机化学的光电和半导体研究中一直是著名的领导者。

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