Американские ученые: органические фотогальванические материалы имеют двухслойную структуру

Американские ученые: органические фотогальванические материалы имеют двухслойную структуру

Подробное изучение одного из наиболее производительных фотогальванических материалов позволило обнаружить необычную двухслойную пластинчатую структуру, которая объясняет его высокую производительность при преобразовании солнечного света в электричество и может поспособствовать дальнейшему созданию аналогичных материалов с улучшенными свойствами.

Исследование, результаты которого опубликованы в журнале «Nature Communications», было проведено учеными Брукхейвенской национальной лаборатории при Министерстве энергетики США. Соавторам работы стали исследователи из университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук, Сеульского национального университета (Южная Корея), Института полимерных исследований им. МаксаПланка(Германия) иэнергетическойкомпании«Konarka Technologies».

Материал, скрывающийся под аббревиатурой PCDTBT, представляет собой разновидность конъюгированного полимера поликарбазола, молекула которого состоит из основной углеродной цепи и побочных алкильных цепей. Его способность перемещать электроны – «отдавать» и «принимать» их – превращает его в один из наиболее эффективных органических фотогальванических материалов, используемых в настоящее время: коэффициент полезного действия органических солнечных панелей при преобразовании солнечного тепла в электричество достигает 7,2%.

«Несмотря на то, что в последнее время этот материал активно изучается, никто еще не представил детального описания его структурных особенностей, которые являются предпосылкой для его высокой производительности», - отмечает сотрудник Брукхейвенской национальной лаборатории Бенджамин Око, возглавивший нынешнее исследование.

«Объяснение высокой эффективности PCDTBT даст ученым возможность воспроизвести его ключевые характеристики при создании новых материалов, которые будут применяться в самых разнообразных сферах: производстве дисплеев, твердотельных источников света, транзисторов и усовершенствованных солнечных панелей», - добавляет ученый.

Чтобы исследовать молекулярную структуру PCDTBT, ученые подвергли тонкие слои материала интенсивному рентгеновскому облучению. Для этого использовалась методика рассеяния рентгеновских лучей высокого разрешения с помощью синхротрона второго поколения, которым располагает Брукхейвенская национальная лаборатория.  В отличие от предыдущих исследований, в которых использовались менее интенсивные рентгеновские лучи, данная работа позволила обнаружить кристаллообразную фазу при повышенной температуре.

Кроме того, паттерны, зафиксированные дифрагированными рентгеновскими лучами, указывают на то, что исследуемый образец состоит из слоев конъюгированных пар основных цепей макромолекул – то есть представляет собой структуру, отличную от других образцов с одной цепью макромолекул в органических фотогальванических материалах, исследованных на данный момент.

Главный автор работы Син Хуэй Лью отметил, что путем анализа диаграммы рассеяния исследователям удалось обнаружить волнистость поверхности вдоль основной цепи и смещение соседствующих цепей относительно друг друга. Смоделировав молекулярную структуру материала PCDTBT, ученые смогли определить, какая конфигурация основной пары цепей будет наиболее стабильной.

В конъюгированных полимерах основная цепь обеспечивает электрическую проводимость, в то время как побочные алкильные цепи, схожие с простыми жирами, гарантируют растворяемость, необходимую для обработки. Хотя они и необходимы, но они ухудшают электрические характеристики полимера. Материал PCDTBT лишен этого недостатка, поскольку состоит в основном из основной цепи с небольшим содержанием алкилов.

«Как в случае с водой и жирами, конъюгированные пары полимера располагаются отдельно от побочных алкильных цепей, что и порождает двуслойную структуру, - объясняет Дэвид Гермак, один из соавторов работы. - Скорее всего, именно эта структурная особенность придает материалу исключительные электрические свойства. Понимание этого факта может поспособствовать созданию инновационных органических материалов для солнечных панелей».

«Нам вполне хватает собственных ресурсов в области синтетической химии и создании органических гелиоустановок, однако у нас нет необходимого оборудования для проведения доскональной структурной характеризации, которым обладает Брукхейвенская лаборатория, - объясняет Джефф Пит, старший научный сотрудник  компании «Konarka Technologies», мирового лидера по разработке и производству органических солнечных панелей. – Это оборудование, а также совместная работа с исследователями из Брукхейвена поможет пролить свет на все мельчайшие различия в структуре материалов, что даст нам возможность понять, каким образом создавать материалы для гелиоустановок нового поколения».

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром

http://www.solardaily.com/reports/Scientists_discover_bilayer_structure_in_efficient_solar_material_999.html

  • Дата публикации: 27.04.2012
  • 202

Чтобы оставить комментарий или выставить рейтинг, нужно Войти или Зарегистрироваться