在几乎废弃的有机太阳能技术重生背后进行调整

 
GTRI首席研究工程师Jud Ready在实验室中选择太阳能电池。这些电池包括3D，CZTS，有机光伏电池和硅。图片来源：Georgia Tech / Branden Camp一种非常耐用且价格适中的太阳能材料，即使它几乎不发电，也令人遗憾地无法使用，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，具有电子的作用，就像捕手的作用。相应的供体分子将电子“倾斜”到受体“捕手”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，可以做当前硅太阳能技术无法做到的事情。您可以塑造它们，使其成为半透明或彩色的。但是它们的巨大潜力在于可以微调它们如何释放和移动电子以产生能量电。”佐治亚理工大学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。
一种非直觉的，微不足道的化学调整，可以使两种分子成分相互配合，从而促进光向电的转化。黄色部分已经过调整。它由非富勒烯受体(NFA)组成，该受体接收来自电子给体蓝色成分的电子。由于相同的化学调节，两个分子成分也很好地堆积在材料中，以促进电子向相邻电极(未显示)的传导。图片来源：佐治亚理工大学/ Breda实验室/王同辉改进的性能并非来自于对接球手的隐喻手的调整，也不在于捐助者的投球手，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“体”与电子供体的“体”更好地对准。
“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%提升至12%。 Brédas和Wang于2019年11月20日在《问题》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。
佐治亚理工学院分子设计系瓦瑟·伍利(Vasser Woolley)主席布瑞达斯(Brédas)表示：“当光子超过阈值时，硅将电子从轨道上弹出。它处于开或关状态;您要么得到传导电子，要么就没有传导电子。” “ NFA很微妙。电子给体伸出电子，电子受体将其拉走。调节形态的能力使电子传递可调。”
有机光伏材料具有两个分子成分，此处以蓝色和黄色显示。蓝色分子是电子给体，黄色分子是非富勒烯(电子)受体(NFA)。一项新研究的模型表明，对NFA进行微小的调整可以大大提高光到电的转化率。信用：佐治亚理工大学/ Bredas实验室/王同辉不是富勒烯
顾名思义，非富勒烯受体不是富勒烯，它们是具有重复五边形或六边形元素的相当均匀和几何结构的纯碳分子。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面团的精确旋流一样相互缠绕，从而赋予它们超越电子捐赠和接受的优势-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。