杂化材料的有序化

无机/有机杂化材料可以结合两者材料的优异特性,在光伏器件方面具有非常好的应用前景。而它们的有序化对光伏器件的性能至关重要。

为了实现杂化材料中各材料的优异特性,我们不仅需要选择合适的材料种类,更需要在微小的尺度把它们精确地排列在一起,这对于它们最终的性能至关重要。耶鲁大学的Chinedum Osuji教授和同事们发展了一种独特的方法,可以把ZnO纳米线和聚噻吩在纳米尺度有序地组合在一起,该材料在杂化光伏领域有非常好的前景。

为了理解为何有序化对杂化光伏器件的性能意义重大,我们首先来看看这类器件的工作原理。其基本原理就是将光能转化为电能(带负电的电子和带正电的空穴)。往往是有机材料吸收光子,产生电子-空穴对。为了使器件可以有效地转化这个功,电子必须被转移到无机材料上,然后电子和空穴可以在电场的作用下被分别拉到器件的两端,从而完成电路。通过在纳米尺度对材料的有序化,电荷载流子在上述过程中所需移动的距离被大大缩短。由于电荷的转移在晶态高分子材料中比非晶态更加有效,所以高分子层的分子有序是非常重要的。同样的,由于电荷倾向于沿着高分子链移动而不是在链之间跃迁,所以分子链的取向也是很重要的。通过尽可能精确地控制这些材料的排列顺序,就可以最大程度减少器件的损耗,获得高的能量转化效率。

然后实现这样复杂的微观的有序并非易事。如果我们手动地来实现,就需要纳米尺度的工具还有无穷的耐心。研究人员们利用了分子间作用力及其它长程作用力,使这些材料自己进行有序地排列。Osuji教授和同事们利用静电力将一种以噻吩为基的高分子枝接到ZnO纳米线的表面,制备了一种新的晶态高分子相。然后为了实现被包裹的纳米线的有序排列,他们在纳米线上施加了一个切向的力,从而得到了图片中所示的结构。另外,他们还提供了另一种方法,如果在纳米线中掺杂少了的Co,利用磁场也可以获得类似的结构。这种杂化材料的排列是非常理想的光伏器件中电荷收集的结构。正因为有了这样创造性的方法,杂化材料具有非常好的应用前景,我们很可能在下一代的太阳能电池中看到它们的身影。

Shanju Zhang et. al., Adv. Mater. ; DOI: 10.1002/adma.201103708