太陽的光線出現(xiàn)在生活中的每一個地方，人們的生活已經(jīng)離不開太陽，太陽能不僅為植物生長提供光源，而且也能為人類提供能源，現(xiàn)在的光伏發(fā)電就是很大程度上利用了太陽能。有一種太陽能材料雖然非常耐用，且價格低廉，但如果幾乎不能發(fā)電，也只能遺憾地?zé)o法應(yīng)用，因此許多研究人員放棄了新興的有機太陽能技術(shù)。但最近，基礎(chǔ)化學(xué)的轉(zhuǎn)變提高了能量輸出，一項新的研究揭示了違反常理的調(diào)整使得新化學(xué)的成功。

這種轉(zhuǎn)變是從“富勒烯”向“非富勒烯受體”(NFAs)的轉(zhuǎn)變，具體術(shù)語如下：在光伏發(fā)電中，受體是一種分子，其對電子的作用就像一個棒球的捕手。相應(yīng)的給體分子將電子“投”給受體“捕手”產(chǎn)生電流。喬治亞理工學(xué)院的化學(xué)家Jean-Luc Bredas進一步發(fā)展了這項技術(shù)，并領(lǐng)導(dǎo)了這項新的研究。

“NFAs是頭復(fù)雜的怪獸，能做到當(dāng)前硅太陽能技術(shù)做不到的事情。你可以把它們塑形，做成半透明的或者有顏色的。但它們的巨大潛力在于，有可能微調(diào)它們釋放和移動電子來發(fā)電的方式。”佐治亞理工學(xué)院化學(xué)與生物化學(xué)學(xué)院的董事教授布雷達斯說。

取得進展

就在過去的四年里，NFA化學(xué)的調(diào)整已經(jīng)推動了有機光伏技術(shù)的發(fā)展，從最初只將1%的陽光轉(zhuǎn)化為電能到最近的實驗中轉(zhuǎn)化為18%的電能。相比之下，市場上已有的高質(zhì)量硅太陽能組件的轉(zhuǎn)換效率約為20%。“理論上說，如果我們能夠通過形態(tài)控制能量損失，我們應(yīng)該能夠用基于NFA的有機太陽能實現(xiàn)超過25%的轉(zhuǎn)換。” 布雷達斯實驗室的博士后研究員、該研究的第一作者Tonghui Wang說。

形態(tài)，即分子在材料中的形狀，是NFA太陽能技術(shù)提高效率的關(guān)鍵，但這在分子水平上是如何工作的一直是個謎。這項新研究仔細(xì)地模擬了分子形狀的微小變化，并計算了一個常見的NFA電子給體/受體配對中相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換。改進的表現(xiàn)不是來自對接球手的受體的調(diào)整，也不是來自給體的投球手，而是來自類似接球手的“腳”的位置。有些位置能更好地使受體的“體”與電子給體的對齊。

“腳”是受體上的一個很小的組成部分，一個甲氧基，在四個可能的位置中有兩個位置將光轉(zhuǎn)換成電的比例從6%提高到12%。布勒達斯和Wang于2019年11月20日在《物質(zhì)》雜志上發(fā)表了他們的研究成果——基于非富勒烯小分子受體的有機太陽能電池：取代基位置的影響。這項研究是由海軍研究辦公室資助的。

笨重的硅電池

在市場上銷售的基于NFA的太陽能電池可能比硅有很多優(yōu)勢，硅需要開采石英砂，像鐵一樣冶煉，像鋼一樣提純，然后切割和加工。相比之下，有機太陽能電池一開始是可以印在表面的廉價溶劑。硅電池通常又硬又重，在高溫和光的壓力下會變?nèi)?，而基于NFA的太陽能電池則更輕、更靈活、更抗壓。它們還有更復(fù)雜的光電特性。在基于NFA的光活性層中，當(dāng)光子將電子從給體分子的外層軌道激發(fā)出來時，電子就會在它們所形成的電子空穴周圍跳舞，從而為它們與受體之間的自定義切換做好準(zhǔn)備。

當(dāng)光子激發(fā)一個電子超過一個閾值時，它就脫離了軌道。它開著或關(guān)著;要么得到一個傳導(dǎo)電子，要么沒有傳導(dǎo)電子。“”NFA是微妙的。一個電子給體伸出一個電子，電子受體把它拽走。調(diào)整形態(tài)的能力使電子切換變得可調(diào)。

不是一個富勒烯

顧名思義，非富勒烯受體并不是富勒烯，富勒烯是一種純碳分子，具有均勻的幾何結(jié)構(gòu)，由重復(fù)的五邊形或六邊形元素組成。碳納米管、石墨烯和煤煙就是富勒烯的例子，富勒烯是以著名的建筑師巴克敏斯特·富勒(Buckminster Fuller)的名字命名的，富勒以設(shè)計網(wǎng)格穹頂而聞名。

富勒烯在分子結(jié)構(gòu)和可調(diào)性上比非富勒烯有更多的棱紋，而非富勒烯的設(shè)計更加自由，可以彎曲?；贜FA的給體和受體可以互相包裹，就像巧克力和香草面糊在一個蛋糕盤中形成精確的漩渦，這讓它們擁有了給電子和接受電子之外的優(yōu)勢——比如在材料中更好的分子包裝。“另一個問題是受體分子是如何相互連接的，這樣被接受的電子就有了通往電極的導(dǎo)電路徑。”布雷達斯說。“這也適用于給體。”

與任何太陽能電池一樣，傳導(dǎo)電子需要離開光伏材料進入電極，而且必須有一條返回到相反電極的路徑，以便到達的電子填補離開的電子留下的空穴。布雷達斯受到的贊譽數(shù)不勝數(shù)，但他的谷歌學(xué)術(shù)搜索h-index分?jǐn)?shù)尤其受到關(guān)注。h-index分?jǐn)?shù)是對一名研究人員發(fā)表的論文影響的計算。布雷達目前的分?jǐn)?shù)為146分，這可能使他成為全球現(xiàn)代史上最具影響力的700名出版研究人員之一。

他一直是光電和半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，研究的經(jīng)濟實用的基礎(chǔ)有機化學(xué)。相信再過幾年到幾十年，當(dāng)人類利用太陽能的技術(shù)很成熟的時候，這樣就有了無窮盡的能源供給社會的使用，再當(dāng)下就需要研究者更加努力研究新技術(shù)。