提高有机太阳能电池效率的“新概念”

日本物化所的all-RIKEN团队的已经证实，通过改善有机太阳能材料的成分，精确控制原料的混合方式可以有效提高太阳能材料的光转换效率，该研究成果发表在Angewandte Chemie International Edition杂志上，文章题目为："Intermolecular arrangement of fullerene acceptors proximal to semiconducting polymers in mixed bulk heterojunctions"。

由于制造成本低、原材料消耗小、重量轻、塑料基底灵活，有机太阳能电池是硅基太阳能电池的理想替代品。(图片: Patrick Landmann)

有机光伏太阳能电池被认为是硅基太阳能电池的潜在低成本竞争对手。一些最高效的有机光伏电池是由长链半导体聚合物和球形富勒烯分子混合而成的，这一组合被称为混合体异质结，很容易让人联想到意大利面和肉丸。当聚合物组分捕获光时，会产生激发的电子，然后电子在通过材料到达电极之前会转移到负责接收电子的富勒烯上。

但RIKEN紧急物质科学中心的Keisuke Tajima表示，体相异质结结构的两个组成部分相互作用的方式是一个 “黑盒子”。Tajima还说：“我们认为现在是时候考虑如何在混合型的体异质结中排列分子，进而把分子设计提升到下一个层次。对于更精确地控制体异质结的界面结构来说，我们的分子设计仅仅是第一步。”

Tajima的团队制造了两种半导体聚合物，两种聚合物只在支柱的侧链位置上有所不同。Tajima说：“我们想要改变一个参数，同时保持其他参数不变，以观察其效果。” 这些侧链控制着富勒烯分子接近聚合物主干的程度。

同样重要的是，聚合物中含有甲氧基，它可以给出一个清晰且明确的核磁共振（NMR）信号。这使得研究小组可以使用二维的核磁共振来评估富勒烯与每一种聚合物的接近程度。

Tajima的团队发现，富勒烯的“邻近性”确实对材料的光电效率产生了重大影响。Tajima的研究小组发现，就像一顿美味的意大利晚餐需要意面和肉丸的紧密结合一样，在材料中，侧链可以使得富勒烯和聚合物链中的电子接收部分紧密接触，使得体异质结的性能最优化。

由于这些聚合物是为调查研究而不是为了达到最佳性能而设计的，因而Tajima的团队还没有打破任何体异质结光电效率记录。Tajima说：“同样的原理也适用于具有更复杂结构的高性能聚合物。”

最近，在性能最好的有机光伏电池中，富勒烯成分已经被“电子接收”分子取代。Tajima补充到：“下一个挑战将是把我们的概念和方法扩展到非富勒烯受体中。”控制新受体的方向以及与聚合物链的距离可能会在有机光伏领域取得突破。

文章来源于nanowerk 网站，原文题目：Bringing fullerene closer to semiconducting polymer boosts the efficiency of organic solar cells，由材料科技在线汇总整理。