有机薄膜制备更好的太阳能电池

导读： 太阳能电池的制备采用有机材料，价格便宜，轻巧灵活，但它们性能落后，不如那些包含硅或其他无机材料的电池。康奈尔大学(Cornell)化学家威廉•迪奇特尔(William Dichtel)和同事发现了一种方法，可以合成有序的有机薄膜，这可能是重要的一步，可以解决这一问题。

用X射线衍射确定共价有机框架材料的结构和方向，就可生长出连续的薄膜，层层堆叠在石墨表面，薄膜中分子排列井然有序，可替代很多导电材料，分子基础材料组装在石墨烯上，提供定向有序的共价有机框架。

太阳能电池的制备采用有机材料，价格便宜，轻巧灵活，但它们性能落后，不如那些包含硅或其他无机材料的电池。康奈尔大学(Cornell)化学家威廉•迪奇特尔(William Dichtel)和同事发现了一种方法，可以合成有序的有机薄膜，这可能是重要的一步，可以解决这一问题。

这是第一次，研究人员得以处理这些材料，这些材料称为共价有机框架(COFs：covalent organic frameworks)，要把它们从普通的粉末形态改变为平片状的精确排列的分子，就在一个导电表面。这就扫清了一个主要障碍，可以使用共价有机框架取代昂贵的、不够通用的材料，用于今天的太阳能电池和其他电子产品。这项研究发表在4月8日的《科学》杂志上。

共价有机框架有多种不同的属性，不同于传统的有机聚合物，这些属性包括优良的热稳定性，高比表面积和永久多孔性。尽管研究人员已经把它们确定为有趣的候选产品，准备替代这样的设备，但是，它们已经无能为力，因为事实上，这种材料的存在通常只是作为一种不溶性粉末。

迪奇特尔是化学与化学生物学助理教授，他和同事们开发出一种简单的工艺，可以培育薄膜状(25-400纳米厚)的共价有机框架，就在石墨烯表面进行，石墨烯是一种单原子厚的碳片。他们采用X射线衍射，在康奈尔大学高能同步辐射光源(CHESS： Cornell High Energy Synchrotron Source)上确定材料的结构和方向。这种共价有机框架就生长为连续的薄膜，井然有序，层层堆叠在石墨烯表面。

不同于粉末形态，这些薄膜都生长在透明表面上，可以被探测，采用现代光学测量就行。研究人员还可以改变框架的属性，这只需改变组件的结构。

“这些材料是如此用途广泛，以致于我们可以合理地调整性能，而不是依靠分子形成薄膜，因为这是难以预测的，”迪奇特尔说。

为了演示，研究人员创造了三种变化的框架。在这三种框架之中，有一种看起来尤其有希望用于太阳能电池，它使用的分子称为酞菁染料(phthalocyanines)，常见于工业染料中，应用产品从蓝色牛仔裤到墨水钢笔都有。

酞菁涉及叶绿素，可吸收的光包含大多数太阳光谱，这是一种罕见的属性，对于单一有机材料而言就是这样。

“获取这些材料作为薄膜，用在电极材料上，这是重要的一步，可以在设备中研究和使用它们，”迪奇特尔说。“这种方法代表一种通用方式，可以在表面组装分子，而且是可预见地进行。这项工作打开了一扇大门，采取这些材料可以有许多其他方向。”