太阳能是一种丰富、清洁的能源，随着世界努力摆脱导致全球变暖的能源，太阳能变得越来越重要。但是目前收集太阳能的方法既昂贵又低效——理论上效率限制在33%。由纽约城市大学(CUNY)研究生中心高级科学研究中心(ASRC)的研究人员开发的新型纳米材料，可以为太阳能更高效、更经济的利用提供一条途径。这种材料是由美国科学研究委员会(ASRC)纳米科学计划(Nanoscience Initiative)的科学家们创造，利用一种名为单线态裂变(singlet裂变)的过程来产生和延长可收获的光能电子寿命，这一发现发表在最新一期的《物理化学期刊》上。
博科园-科学科普：早期研究表明，这些材料可以产生更多可用的电荷，并将太阳能电池的理论效率提高到44%。该论文的第一作者、该研究中心的博士生安德鲁莱文(Andrew Levine)说：我们对一些常用工业染料中的分子进行了修饰，创造出了自组装材料，这些材料可以提高可收获电子的产量，延长电子的xcited状态寿命，让我们有更多时间在太阳能电池中收集它们。自组装过程会导致染料分子以特定的方式堆积。这种堆叠允许吸收太阳光子的染料与邻近的染料结合并共享能量，或者“激发”邻近的染料。这些染料中的电子然后解耦，这样它们就可以作为可收集的太阳能被收集起来。
研究方法及结果
为了开发这种材料，研究人员将两种常用的工业染料diketopyrolopyrrole (DPP)和rylene的不同版本进行了组合。这导致了6个自组装上层结构的形成，科学家们使用电子显微镜和高级光谱技术对其进行了研究。发现每种组合在几何形状上都有细微的差异，这些差异影响了染料的激发态、单线态裂变的发生，以及可收获电子的产量和寿命。Adam Braunschweig教授说：这项研究工作为我们提供了一个纳米材料的图书馆，可以研究它来收集太阳能，使用自组装的方法将染料组合成功能材料，这意味着可以仔细调整它们的性能，提高关键采光过程的效率。
在这幅图中，DPP和rylene染料分子结合在一起形成了一个自组装的上层结构。结构内的电子被光子吸收并被激发，然后与相邻的电子结合以共享能量并产生额外的被激发电子，这些电子可以被收集来制造太阳能电池。图片：Andrew Levine
研究人员表示，这种材料的自组装能力还可以缩短制造商业上可行的太阳能电池时间，而且比目前的制造方法成本更低。目前的制造方法依赖于耗时的分子合成过程。研究小组的下一个挑战是开发一种方法来收集由新纳米材料产生的太阳能电荷。目前正在设计一种rylene分子，它可以在单态裂变过程中接受DPP分子的电子。如果成功，这些材料将启动单态裂变过程，并促进电荷转移到太阳能电池。
博科园-科学科普｜研究/来自：纽约市立大学高级科学研究中心
参考期刊文献:《物理化学C/A》
DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b09593
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