最近，中國科大微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心羅毅教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組江俊教授利用第一性原理計(jì)算，提出了首個(gè)自適應(yīng)開關(guān)的有機(jī)分子太陽能電池設(shè)計(jì)，該方案具有低成本、高效、自適應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)成果以“Self-adaptive switch enabling complete charge separation in molecular-based optoelectronic conversion”為題，發(fā)表在《物理化學(xué)快報(bào)》（Journal of Physical Chemistry Letters）。 

 

　　太陽能電池是極其前景的新能源技術(shù)。基于有機(jī)分子的太陽能電池具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如，材料來源廣泛、價(jià)格便宜、工藝簡單、柔韌性好、易于大規(guī)模生產(chǎn)、輕薄柔軟易攜帶，而且可降解，對(duì)環(huán)境污染小。然而，長期以來有機(jī)分子太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率不高，與無機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池相比仍有較大差距。這是由于光能被有機(jī)分子吸收后，雖然會(huì)發(fā)生從給體部分到受體的電荷轉(zhuǎn)移，但有機(jī)分子的載流子遷移率較低，含能的激發(fā)態(tài)電子往往被束縛在同一個(gè)小分子里，使得未經(jīng)徹底分離的電子和空穴很容易發(fā)生復(fù)合，從而大大降低了最終的光電轉(zhuǎn)換效率。 

 

　　江俊課題組長期深耕于光電功能分子和光催化體系設(shè)計(jì)與模擬領(lǐng)域，聚焦于電子運(yùn)動(dòng)這一關(guān)鍵主線，基于第一性原理模擬進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以調(diào)控電子被光激發(fā)后演化行為（Nature Commun. 2017, 8:16049; J. Phys. Chem. Lett. 2016,7,1750）。而在這次的單分子有機(jī)太陽能電池中，光開關(guān)分子偶氮苯被插入到一個(gè)典型的給體-受體體系（三聯(lián)吡啶鉑配合物）中，組成一個(gè)給體-光開關(guān)-受體體系。第一性原理計(jì)算表明，該分子具有平面共軛構(gòu)型，可以吸收可見光，產(chǎn)生的受激電子會(huì)從偶氮苯和給體迅速轉(zhuǎn)移到能級(jí)更低的受體上（如圖所示，時(shí)間約為2 皮秒）；而失去電子的偶氮苯分子順反異構(gòu)勢壘會(huì)降低，從而自發(fā)發(fā)生從反式到順式的構(gòu)型轉(zhuǎn)換（時(shí)間尺度為皮秒-納秒量級(jí)）；分子構(gòu)型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致體系的共軛結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)電性也大大降低，受體上的含能受激電子無法回到偶氮苯和給體，于是電子和空穴分別被儲(chǔ)存在受體和給體上，實(shí)現(xiàn)了高效的電荷分離（激發(fā)態(tài)壽命為微秒量級(jí)）；當(dāng)受激電子被消耗（流入電極）之后，分子回到基態(tài)，此時(shí)的偶氮苯仍處于順式構(gòu)型，由于偶氮苯自身的特性，順式分子能夠吸收可見光轉(zhuǎn)換回到反式構(gòu)型，并開始下一輪循環(huán)。

 

　　這一研究體系通過巧妙的設(shè)計(jì)抑制了有機(jī)太陽能電池中的電荷復(fù)合過程，實(shí)現(xiàn)了高效的電荷分離和分子導(dǎo)電性的自動(dòng)切換，是首個(gè)自適應(yīng)開關(guān)的有機(jī)太陽能電池設(shè)計(jì)。文中所報(bào)道的給體-光開關(guān)-受體體系不僅僅局限于偶氮苯和三聯(lián)吡啶鉑配合物分子，其他光開關(guān)分子和給體-受體體系也可以用于這一復(fù)合體系中。這一設(shè)計(jì)采用有機(jī)物小分子作為材料，解決了有機(jī)太陽能電池中容易發(fā)生電荷復(fù)合和導(dǎo)電性無法切換的問題，為低成本、易合成的有機(jī)分子體系大規(guī)模用于太陽能電池、光催化等領(lǐng)域打開了大門。 

 

　　該論文第一作者為化學(xué)院博士生伍子夜，崔鵬和張國楨博士為并列一作，江俊為通訊作者。相關(guān)工作得到了科技部青年973項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目的資助。