中國科大提出首個自適應(yīng)開關(guān)的有機(jī)分子太陽能電池設(shè)計

時間:2018-03-02 10:06來源:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 作者:綜合報道
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  最近,中國科大微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心羅毅教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組江俊教授利用第一性原理計算,提出了首個自適應(yīng)開關(guān)的有機(jī)分子太陽能電池設(shè)計,該方案具有低成本、高效、自適應(yīng)的優(yōu)點。相關(guān)成果以“Self-adaptive switch enabling complete charge separation in molecular-based optoelectronic conversion”為題,發(fā)表在《物理化學(xué)快報》(Journal of Physical Chemistry Letters)。 
 
  太陽能電池是極其前景的新能源技術(shù);谟袡C(jī)分子的太陽能電池具有諸多優(yōu)點,例如,材料來源廣泛、價格便宜、工藝簡單、柔韌性好、易于大規(guī)模生產(chǎn)、輕薄柔軟易攜帶,而且可降解,對環(huán)境污染小。然而,長期以來有機(jī)分子太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率不高,與無機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池相比仍有較大差距。這是由于光能被有機(jī)分子吸收后,雖然會發(fā)生從給體部分到受體的電荷轉(zhuǎn)移,但有機(jī)分子的載流子遷移率較低,含能的激發(fā)態(tài)電子往往被束縛在同一個小分子里,使得未經(jīng)徹底分離的電子和空穴很容易發(fā)生復(fù)合,從而大大降低了最終的光電轉(zhuǎn)換效率。 
 
  江俊課題組長期深耕于光電功能分子和光催化體系設(shè)計與模擬領(lǐng)域,聚焦于電子運動這一關(guān)鍵主線,基于第一性原理模擬進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計以調(diào)控電子被光激發(fā)后演化行為(Nature Commun. 2017, 8:16049; J. Phys. Chem. Lett. 2016,7,1750)。而在這次的單分子有機(jī)太陽能電池中,光開關(guān)分子偶氮苯被插入到一個典型的給體-受體體系(三聯(lián)吡啶鉑配合物)中,組成一個給體-光開關(guān)-受體體系。第一性原理計算表明,該分子具有平面共軛構(gòu)型,可以吸收可見光,產(chǎn)生的受激電子會從偶氮苯和給體迅速轉(zhuǎn)移到能級更低的受體上(如圖所示,時間約為2 皮秒);而失去電子的偶氮苯分子順反異構(gòu)勢壘會降低,從而自發(fā)發(fā)生從反式到順式的構(gòu)型轉(zhuǎn)換(時間尺度為皮秒-納秒量級);分子構(gòu)型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致體系的共軛結(jié)構(gòu)被破壞,導(dǎo)電性也大大降低,受體上的含能受激電子無法回到偶氮苯和給體,于是電子和空穴分別被儲存在受體和給體上,實現(xiàn)了高效的電荷分離(激發(fā)態(tài)壽命為微秒量級);當(dāng)受激電子被消耗(流入電極)之后,分子回到基態(tài),此時的偶氮苯仍處于順式構(gòu)型,由于偶氮苯自身的特性,順式分子能夠吸收可見光轉(zhuǎn)換回到反式構(gòu)型,并開始下一輪循環(huán)。
 
  這一研究體系通過巧妙的設(shè)計抑制了有機(jī)太陽能電池中的電荷復(fù)合過程,實現(xiàn)了高效的電荷分離和分子導(dǎo)電性的自動切換,是首個自適應(yīng)開關(guān)的有機(jī)太陽能電池設(shè)計。文中所報道的給體-光開關(guān)-受體體系不僅僅局限于偶氮苯和三聯(lián)吡啶鉑配合物分子,其他光開關(guān)分子和給體-受體體系也可以用于這一復(fù)合體系中。這一設(shè)計采用有機(jī)物小分子作為材料,解決了有機(jī)太陽能電池中容易發(fā)生電荷復(fù)合和導(dǎo)電性無法切換的問題,為低成本、易合成的有機(jī)分子體系大規(guī)模用于太陽能電池、光催化等領(lǐng)域打開了大門。 
 
  該論文第一作者為化學(xué)院博士生伍子夜,崔鵬和張國楨博士為并列一作,江俊為通訊作者。相關(guān)工作得到了科技部青年973項目、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)項目的資助。
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文章標(biāo)簽: 太陽能電池 光電轉(zhuǎn)化
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