中國科大提出首個(gè)自適應開(kāi)關(guān)的有機分子太陽(yáng)能電池設計

近日，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心教授羅毅領(lǐng)導的研究小組的教授江俊利用第一性原理計算，提出了首個(gè)自適應開(kāi)關(guān)的有機分子太陽(yáng)能電池設計。該方案具有低成本、高效、自適應的優(yōu)點(diǎn)。

太陽(yáng)能電池極具應用前景。雖然基于有機分子的太陽(yáng)能電池具有材料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、工藝簡(jiǎn)單、柔韌性好、易于大規模生產(chǎn)、輕薄柔軟易攜帶、可降解、環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點(diǎn)，但其光電轉換效率不高，與無(wú)機半導體太陽(yáng)能電池相比仍有較大差距。這是因為光能被有機分子吸收后，雖然會(huì )發(fā)生從給體部分到受體的電荷轉移，但有機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(gè)小分子里，使得未經(jīng)徹底分離的電子和空穴很容易發(fā)生復合，大大降低了最終的光電轉換效率。

江俊課題組長(cháng)期致力于光電功能分子和光催化體系設計與模擬領(lǐng)域的研究，聚焦于電子運動(dòng)這一關(guān)鍵主線(xiàn)，基于第一性原理模擬進(jìn)行結構設計以調控電子被光激發(fā)后演化行為。在此次研究中，光開(kāi)關(guān)分子偶氮苯被插入到一個(gè)典型的給體-受體體系(三聯(lián)吡啶鉑配合物)中，組成一個(gè)給體-光開(kāi)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型，可以吸收可見(jiàn)光，產(chǎn)生的受激電子會(huì )從偶氮苯和給體迅速轉移到能級更低的受體上(時(shí)間約為2皮秒);而失去電子的偶氮苯分子順?lè )串悩媱輭緯?huì )降低，從而自發(fā)發(fā)生從反式到順式的構型轉換(時(shí)間尺度為皮秒-納秒量級);分子構型轉變導致體系的共軛結構被破壞，導電性也大大降低，受體上的含能受激電子無(wú)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(shí)現了高效的電荷分離(激發(fā)態(tài)壽命為微秒量級);當受激電子被消耗(流入電極)之后，分子回到基態(tài)，此時(shí)的偶氮苯仍處于順式構型，由于偶氮苯自身的特性，順式分子能夠吸收可見(jiàn)光轉換回到反式構型，并開(kāi)始下一輪循環(huán)。

該體系抑制了有機太陽(yáng)能電池中的電荷復合過(guò)程，實(shí)現了高效的電荷分離和分子導電性的自動(dòng)切換，是首個(gè)自適應開(kāi)關(guān)的有機太陽(yáng)能電池設計。此外，給體-光開(kāi)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(kāi)關(guān)分子和給體-受體體系也可以用于這一復合體系中。這一設計采用有機物小分子作為材料，解決了有機太陽(yáng)能電池中容易發(fā)生電荷復合和導電性無(wú)法切換的問(wèn)題，為低成本、易合成的有機分子體系大規模用于太陽(yáng)能電池、光催化等領(lǐng)域提供了研究思路。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理化學(xué)快報》上，博士研究生伍子夜、博士崔鵬、張國楨為共同第一作者，江俊為通訊作者。該研究得到了國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃青年科學(xué)家專(zhuān)題項目、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項的資助。