博科園-科學科譜：材料科學類

太陽能是一種豐富、清潔的能源，隨著世界努力擺脫導致全球變暖的能源，太陽能變得越來越重要。但是目前收集太陽能的方法既昂貴又低效——理論上效率限制在33%。由紐約城市大學(CUNY)研究生中心高級科學研究中心(ASRC)的研究人員開發的新型納米材料，可以為太陽能更高效、更經濟的利用提供一條途徑。這種材料是由美國科學研究委員會(ASRC)納米科學計劃(Nanoscience Initiative)的科學家們創造，利用一種名為單線態裂變(singlet裂變)的過程來產生和延長可收穫的光能電子壽命，這一發現發表在最新一期的《物理化學期刊》上。

博科園-科學科普：早期研究表明，這些材料可以產生更多可用的電荷，並將太陽能電池的理論效率提高到44%。該論文的第一作者、該研究中心的博士生安德魯萊文(Andrew Levine)說：我們對一些常用工業染料中的分子進行了修飾，創造出了自組裝材料，這些材料可以提高可收穫電子的產量，延長電子的xcited狀態壽命，讓我們有更多時間在太陽能電池中收集它們。自組裝過程會導致染料分子以特定的方式堆積。這種堆疊允許吸收太陽光子的染料與鄰近的染料結合併共享能量，或者「激發」鄰近的染料。這些染料中的電子然後解耦，這樣它們就可以作為可收集的太陽能被收集起來。

研究方法及結果

為了開發這種材料，研究人員將兩種常用的工業染料diketopyrolopyrrole (DPP)和rylene的不同版本進行了組合。這導致了6個自組裝上層結構的形成，科學家們使用電子顯微鏡和高級光譜技術對其進行了研究。發現每種組合在幾何形狀上都有細微的差異，這些差異影響了染料的激發態、單線態裂變的發生，以及可收穫電子的產量和壽命。Adam Braunschweig教授說：這項研究工作為我們提供了一個納米材料的圖書館，可以研究它來收集太陽能，使用自組裝的方法將染料組合成功能材料，這意味著可以仔細調整它們的性能，提高關鍵採光過程的效率。

在這幅圖中，DPP和rylene染料分子結合在一起形成了一個自組裝的上層結構。結構內的電子被光子吸收並被激發，然後與相鄰的電子結合以共享能量併產生額外的被激發電子，這些電子可以被收集來製造太陽能電池。圖片：Andrew Levine

研究人員表示，這種材料的自組裝能力還可以縮短製造商業上可行的太陽能電池時間，而且比目前的製造方法成本更低。目前的製造方法依賴於耗時的分子合成過程。研究小組的下一個挑戰是開發一種方法來收集由新納米材料產生的太陽能電荷。目前正在設計一種rylene分子，它可以在單態裂變過程中接受DPP分子的電子。如果成功，這些材料將啟動單態裂變過程，並促進電荷轉移到太陽能電池。

博科園-科學科普｜研究/來自：紐約市立大學高級科學研究中心

參考期刊文獻:《物理化學C/A》

DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b09593

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