研究探索了光响应材料的分子构建基块

创建下一代太阳能电池和传感器需要仔细研究光与光响应材料的相互作用。美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的研究正在通过灵活，高效的太阳能电池和尖端的光学工具将这种理解推向未来。

为了设计利用有机材料来利用光的新技术，科学家们正在探索基本的分子功能。例如，使用专门设计的碳基组件可以实现柔性薄膜太阳能电池或光伏电池。这种类型的材料可以使从有色发电窗口到便携式充电器的所有功能实现，从而将太阳能扩展到远远超过传统的硅基屋顶板。然而，关于这些有机光伏电池的哪些构造块将提供高效率，耐用性和低成本，还有很多待发现。

阿尔贡大学的物理化学家，西北大学教授理查德·谢勒说：“从某种意义上说，当今的光伏发电就像早期的汽车工业一样。” “有十几种或更多不同的工程和材料方法都旨在利用太阳能，但它们针对多个已确定的市场，并应对不同的成本和性能驱动因素。”

这些材料跨越了厚的，高纯度的晶体无机物(如硅)到低成本，更薄的有机塑料和小分子，这些分子需要较少的初始能量来制造。

有机太阳能电池的心脏由被称为电子给体和电子受体的独立区域组成。当来自太阳光的光子撞击这些区域时，光子会将能量沉积到带负电的电子中，这些电子被激发并在电子所在的位置产生带正电的空穴。这些电子-空穴对由于其相反的电荷而粘结在一起，被称为激子。当激子遇到供体和受体之间的界面时，它们会分裂，从而促进电子分别向一个电极移动而空穴向另一个电极移动，从而产生电流。

阿尔贡大学杰出研究员，西北大学化学教授林晨说，球形的空心碳分子被称为富勒烯，是细胞内的重要受体，但富勒烯有缺点。

她说：“富勒烯很难合成，重量上比黄金还贵。” “寻找非富勒烯受体是一个持续的过程，该受体对于持久的有机太阳能电池而言具有成本效益且坚固耐用。”

Chen，Schaller及其同事正在研究per二酰亚胺(PDI)衍生物，它们是基于一类廉价颜料的富勒烯的潜在替代品。在最近的一项研究中，研究人员检查了芝加哥大学研究合著者兼化学教授俞平和他的同事合成的六种PDI。目的是了解分子结构的变化如何影响PDI的光转换效率。

这些PDI分子链接在一起，称为二聚体，以增强其与供体材料的电子通讯。研究比较了这些二聚体与不同长度和刚性的接头之间的活性。这项研究于2020年6月发表在《化学科学》杂志上，结合了合作者之间的实验和理论专业知识，以组装出迄今最全面的光伏不同PDI结构的表征。

在实验方面，研究人员使用超快发射和瞬态吸收光谱法检查了二聚体，以实时测量激子生成，演化和衰减的动力学。这些光学研究是在美国能源部科学用户设施办公室阿贡的纳米级材料中心(CNM)进行的，它通过记录光子被材料吸收或发射时记录的不同光谱来帮助敏感地跟踪激子活性。

研究人员之一，西北大学化学教授乔治·沙茨(George Schatz)通过综合计算验证了时间分辨的光测量结果，他与同事一起研究了这些分子中能级的结构依赖性，例如两个PDI之间的连接子如何改变它们之间电子流的密度。

在另一项研究中，Chen，Schaller及其同事评估了由研究共同作者西北大学的William Dichtel及其同事设计的，被称为二维共价有机骨架或2D COF的组装分子的激子活性。COF有潜力用于发光二极管，化学传感器和光电产品中-它们的几何精度有助于有效的能量传输。但是，人们对电子在这些新兴材料中的实际行为知之甚少。

2D COF类似于可以堆叠或链接以创建电子传输网络的雪花。当他们在一起时，它们的特性发生了变化，研究人员想知道为什么。他们再次使用了西北大学和CNM的瞬态吸收光谱法检查了这些晶体结构，还使用了阿贡州DOE科学用户设施Advanced Photon Source的杜邦-Northwestern-Dow合作访问小组(DND-CAT)光束线。

粉末会将光散射到一定程度，使得难以用光谱表征。为了解决这个问题，研究人员创建了COF的胶体溶液，从而实现了光物理特性的鉴定，否则将无法实现。

Schaller说：“胶体COF还处于早期阶段。” “过去，它们只是制成固体粉末，因此即使只是研究其性能也是William Dichtel得以突破的挑战。”

光谱学用于测量电子活性，而DND-CAT束线帮助测量COFs晶域的大小和分子堆积。

Chen说：“我们发现2D COF中激子具有很高的迁移率，这是出乎意料的。” “这些发现加强了这些结构对潜在光电应用的承诺。”

该团队的结果在论文“通过超快激子动力学揭示的具有不同域尺寸的二维共价有机框架中的大激子扩散系数”中得到了详细说明，该论文于去年7月发表在《美国化学学会杂志》上。