研究人员找到了有效的有机光伏材料的线索（可以帮助创造新的材料来改善太阳能电池）

布鲁克海文国家实验室媒体与传播办公室

光伏材料的结构细节显示：双层聚合物主链图案（3D图像）源自在NSLS的射线X9处获得的X射线散射图（背景）。在3D图像中，黄色区域表示成对的主链，蓝色区域表示液体状的侧链。

对一种性能最好的有机光伏材料的详细研究表明，这种不寻常的双层层状结构可能有助于解释该材料在将太阳光转化为电能方面的优越性能，并指导具有更好性能的新材料的合成。该研究于2012年4月24日发表在《自然通讯》上，由美国能源部（DOE）布鲁克黑文国家实验室的科学家与石溪大学，韩国首尔国立大学，马克斯·普朗克聚合物研究所的研究人员合作完成在德国和Konarka Technologies进行研究。

手柄PCDTBT已知的材料是“聚咔唑共轭聚合物”的示例，该分子由具有烷基侧链的链状碳主链组成。它能够移动电子（“捐赠”和“接受”电子）的能力使其成为当前使用的最佳有机光伏材料之一，能够将有机太阳能电池中的太阳光转化为电能的效率高达7.2％。

布鲁克海文物理学家本杰明·奥科（Benjamin Ocko）表示：“尽管对该材料进行了广泛研究，但没有人报告其详细的结构特征为其优异的性能提供基础。”他说：“了解这种材料为何表现出色将有助于科学家利用其基本属性来设计适用于各种应用的新材料，包括显示器，固态照明，晶体管和改进的太阳能电池。”

Brookhaven实验室研究小组成员Lu Xinhui Lu，Htay Hlaing，David Germack和Ben Ocko。

为了探测分子结构，研究小组使用高分辨率x射线散射技术在布鲁克海文的国家同步加速器光源（NSLS）上将PCDTBT薄膜暴露于强烈的x射线束中。与以前的研究使用强度较低的X射线不同，这些研究表明在高温下会形成类似晶体的相。此外，由衍射X射线产生的图案表明该结构由共轭骨架对的层组成，该图案与迄今研究的所有其他有机光伏材料中观察到的单个骨架结构完全不同。

该论文的主要作者陆新会（Xinhui Lu）指出，通过分析散射图，他们发现了聚合物主链上的起伏，以及相邻主链中的​​起伏如何相对于彼此移动。通过进行分子建模模拟，作者能够预测哪种聚合物主链构型最稳定。

在共轭聚合物中，主链提供了导电性的途径，而烷基侧链类似于简单的油，提供了加工所需的溶解度。尽管必要，这些侧链会干扰聚合物的电性能。科学家说，PCDTBT是新颖的，因为它主要由几乎没有烷基物质的主链组成。该论文的合著者之一大卫·格马克（David Germack）说：“类似于油和水，该聚合物的共轭主链对与烷基侧链“相分离”，从而形成了双层结构。正是这种结构图案可能有助于该材料的优异电性能，并且这种理解可以指导新的有机太阳能材料的设计。

“尽管我们在合成化学和有机太阳能器件制造方面拥有大量的内部专业知识，但我们缺乏Brookhaven实验室提供的深入结构表征工具，”开发领域的全球领导者Konarka Technologies的高级科学家Jeff Peet说。有机太阳能电池的商业化。“这些工具和与布鲁克海文研究合作伙伴的合作研究可以阐明材料之间的细微差别，从而使我们对如何设计下一代太阳能电池材料具有关键见解。”

此研究的其他合作者有：Broookhaven实验室和Stony Brook大学的Htay Hlaing，首尔国立大学的Won Ho Jo以及马克斯·普朗克聚合物研究所的Denis Andrienko和Kurt Kremer。

这项研究由美国能源部科学办公室，Konarka Technologies，布鲁克海文实验室的能源实验室研究与开发计划，德国研究基金会以及德国联邦教育与研究部资助。美国能源部科学办公室也为布鲁克海文的国家同步加速器光源提供支持。

美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，并且致力于解决当今时代最紧迫的挑战。有关更多信息，请访问science.energy.gov。