近日, 由中國科學技術大學微尺度物質科學國家研究中心教授羅毅領導的研究小組的教授江俊利用第一性原理計算, 提出了首個自適應開關的有機分子太陽能電池設計. 該方案具有低成本, 高效, 自適應的優點.
太陽能電池極具應用前景. 雖然基於有機分子的太陽能電池具有材料來源廣泛, 價格低廉, 工藝簡單, 柔韌性好, 易於大規模生產, 輕薄柔軟易攜帶, 可降解, 環境汙染小等諸多優點, 但其光電轉換效率不高, 與無機半導體太陽能電池相比仍有較大差距. 這是因為光能被有機分子吸收後, 雖然會發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, 含能的激發態電子往往被束縛在同一個小分子裡, 使得未經徹底分離的電子和空穴很容易發生複合, 大大降低了最終的光電轉換效率.
江俊課題組長期致力於光電功能分子和光催化體系設計與類比領域的研究, 聚焦於電子運動這一關鍵主線, 基於第一性原理類比進行結構設計以調控電子被光激發後演化行為. 在此次研究中, 光開關分子偶氮苯被插入到一個典型的給體-受體體系 (三聯吡啶鉑配合物) 中, 組成一個給體-光開關-受體體系. 第一性原理計算表明, 該分子具有平面共軛構型, 可以吸收可見光, 產生的受激電子會從偶氮苯和給體迅速轉移到能級更低的受體上 (時間約為2皮秒) ; 而失去電子的偶氮苯分子順反異構勢壘會降低, 從而自發發生從反式到順式的構型轉換 (時間尺度為皮秒-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法回到偶氮苯和給體, 於是電子和空穴分別被儲存在受體和給體上, 實現了高效的電荷分離 (激發態壽命為微秒量級) ; 當受激電子被消耗 (流入電極) 之後, 分子回到基態, 此時的偶氮苯仍處於順式構型, 由於偶氮苯自身的特性, 順式分子能夠吸收可見光轉換回到反式構型, 並開始下一輪迴圈.
該體系抑制了有機太陽能電池中的電荷複合過程, 實現了高效的電荷分離和分子導電性的自動切換, 是首個自適應開關的有機太陽能電池設計. 此外, 給體-光開關-受體體系不僅僅局限於偶氮苯和三聯吡啶鉑配合物分子, 其他光開關分子和給體-受體體系也可以用於這一複合體系中. 這一設計採用有機物小分子作為材料, 解決了有機太陽能電池中容易發生電荷複合和導電性無法切換的問題, 為低成本, 易合成的有機分子體系大規模用於太陽能電池, 光催化等領域提供了研究思路.
相關研究成果發表在《物理化學快報》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基礎研究發展計劃青年科學家專題項目, 國家自然科學基金, 中國科學院戰略性先導科技專項的資助.
