有机光伏电池的理想结构,电荷寿命达到1000倍

环境能源 2018年05月09日

日本京都大学的研发小组与法国巴黎高等师范学院(ENS)的研发小组合作,利用结构中具有周期性孔隙空间的多孔性物质,成功制作出了两种不同分子有序地交替排列的结构体,这种结构体此前一直被视为有机光伏电池的终极理想结构。

这项研究成果已经在2018年4月25日发行的国际科学杂志《自然通讯》(Nature Communications)上发布。

<研究成果>

此次的研究着眼于多孔性金属络合物(MOF),MOF由金属离子及连接离子的有机物构成,具有周期性纳米空间骨架。MOF通过适当地选择元素,能合理设计孔隙的尺寸和形状,不仅如此,还可以在纳米空间骨架中有序地配置各种光电子功能部位。研发小组通过使拥有受体部位的MOF与具有供体性质的高分子结合,制作了供体与受体在分子水平上有序地交替排列的 “MOF/聚合物纳米混合材料” 结构体。

首先,京都大学的研发小组与ENS的克里斯汀·赛莱教授等人组成的研发小组合作,通过混合钛离子(IV)和亚甲基二间苯二甲酸,合成了具有氧化钛部位的MOF。

通过结构解析,发现新合成的MOF由氧化钛纳米线和有机部位构成,具备整齐的一维纳米空间。

ENS的研发小组与京都大学的关修平教授等人的研发小组合作,对MOF的光电导特性进行测量发现,虽然氧化钛纳米线的直径非常细,还不到1nm,但与氧化钛一样具有良好的光电导性。

研发小组在MOF的一维纳米空间内合成了具有供体性质的高分子聚噻吩,成功制作出了供体和受体在分子水平上有序地交替排列的结构体“MOF/聚合物纳米混合材料”(图2)。通过进行各种光谱测量和计算确认,照射光后,会从聚噻吩向MOF发生电子移动,发现了电荷分离状态。

由于作为电流载体的正负电荷通常容易相互发生反应并立即消失,这种不稳定性一直是阻碍有机光伏电池性能提高的一大障碍。研发小组调查发现,在此次研究中合成的结构体的电荷寿命超过1毫秒,比此前报告的寿命高出1000倍左右。可以说,研发小组此次利用MOF/聚合物纳米混合材料成功实现了长寿命电荷的分离状态,大幅提高了电荷的稳定性。

<参考图>

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图1:有机光伏电池的示意图

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图2:供体受体交替排列结构体的示意图

文 客观日本编辑部

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