有机太阳能技术将迎来重生！新研究模拟分子形态变化来控制能量损失

有一种太阳能材料虽然非常耐用，且价格低廉，但如果几乎不能发电，也只能遗憾地无法应用，因此许多研究人员放弃了新兴的有机太阳能技术。但最近，基础化学的转变提高了能量输出，一项新的研究揭示了违反常理的调整使得新化学的成功。

这种转变是从“富勒烯”向“非富勒烯受体”(NFAs)的转变，具体术语如下：在光伏发电中，受体是一种分子，其对电子的作用就像一个棒球的捕手。相应的给体分子将电子“投”给受体“捕手”产生电流。乔治亚理工学院的化学家Jean-Luc Bredas进一步发展了这项技术，并领导了这项新的研究。

“NFAs是头复杂的怪兽，能做到当前硅太阳能技术做不到的事情。你可以把它们塑形，做成半透明的或者有颜色的。但它们的巨大潜力在于，有可能微调它们释放和移动电子来发电的方式。”佐治亚理工学院化学与生物化学学院的董事教授布雷达斯说。

取得进展

就在过去的四年里，NFA化学的调整已经推动了有机光伏技术的发展，从最初只将1%的阳光转化为电能到最近的实验中转化为18%的电能。相比之下，市场上已有的高质量硅太阳能组件的转换效率约为20%。

“理论上说，如果我们能够通过形态控制能量损失，我们应该能够用基于NFA的有机太阳能实现超过25%的转换。” 布雷达斯实验室的博士后研究员、该研究的第一作者Tonghui Wang说。

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，但这在分子水平上是如何工作的一直是个谜。这项新研究仔细地模拟了分子形状的微小变化，并计算了一个常见的NFA电子给体/受体配对中相应的能量转换。

改进的表现不是来自对接球手的受体的调整，也不是来自给体的投球手，而是来自类似接球手的“脚”的位置。有些位置能更好地使受体的“体”与电子给体的对齐。

“脚”是受体上的一个很小的组成部分，一个甲氧基，在四个可能的位置中有两个位置将光转换成电的比例从6%提高到12%。布勒达斯和Wang于2019年11月20日在《物质》杂志上发表了他们的研究成果——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。这项研究是由海军研究办公室资助的。

笨重的硅电池

在市场上销售的基于NFA的太阳能电池可能比硅有很多优势，硅需要开采石英砂，像铁一样冶炼，像钢一样提纯，然后切割和加工。相比之下，有机太阳能电池一开始是可以印在表面的廉价溶剂。

硅电池通常又硬又重，在高温和光的压力下会变弱，而基于NFA的太阳能电池则更轻、更灵活、更抗压。它们还有更复杂的光电特性。在基于NFA的光活性层中，当光子将电子从给体分子的外层轨道激发出来时，电子就会在它们所形成的电子空穴周围跳舞，从而为它们与受体之间的自定义切换做好准备。

当光子激发一个电子超过一个阈值时，它就脱离了轨道。它开着或关着;要么得到一个传导电子，要么没有传导电子。”“NFA是微妙的。一个电子给体伸出一个电子，电子受体把它拽走。调整形态的能力使电子切换变得可调。”

不是一个富勒烯

顾名思义，非富勒烯受体并不是富勒烯，富勒烯是一种纯碳分子，具有均匀的几何结构，由重复的五边形或六边形元素组成。碳纳米管、石墨烯和煤烟就是富勒烯的例子，富勒烯是以著名的建筑师巴克敏斯特·富勒(Buckminster Fuller)的名字命名的，富勒以设计网格穹顶而闻名。

富勒烯在分子结构和可调性上比非富勒烯有更多的棱纹，而非富勒烯的设计更加自由，可以弯曲。基于NFA的给体和受体可以互相包裹，就像巧克力和香草面糊在一个蛋糕盘中形成精确的漩涡，这让它们拥有了给电子和接受电子之外的优势——比如在材料中更好的分子包装。

“另一个问题是受体分子是如何相互连接的，这样被接受的电子就有了通往电极的导电路径。”布雷达斯说。“这也适用于给体。”

与任何太阳能电池一样，传导电子需要离开光伏材料进入电极，而且必须有一条返回到相反电极的路径，以便到达的电子填补离开的电子留下的空穴。

布雷达斯受到的赞誉数不胜数，但他的谷歌学术搜索h-index分数尤其受到关注。h-index分数是对一名研究人员发表的论文影响的计算。布雷达目前的分数为146分，这可能使他成为全球现代史上最具影响力的700名出版研究人员之一。

他一直是光电和半导体研究领域的领军人物，研究的经济实用的基础有机化学。

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