近日，由中國科學技術(shù)大學微尺度物質(zhì)科學國家研究中心教授羅毅領導的研究小組的教授江俊利用第一性原理計算，提出了首個自適應開關的有機分子太陽能電池設計。該方案具有低成本、高效、自適應的優(yōu)點。

太陽能電池極具應用前景。雖然基于有機分子的太陽能電池具有材料來源廣泛、價格低廉、工藝簡單、柔韌性好、易于大規(guī)模生產(chǎn)、輕薄柔軟易攜帶、可降解、環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點，但其光電轉(zhuǎn)換效率不高，與無機半導體太陽能電池相比仍有較大差距。這是因為光能被有機分子吸收后，雖然會發(fā)生從給體部分到受體的電荷轉(zhuǎn)移，但有機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)生復合，大大降低了最終的光電轉(zhuǎn)換效率。

江俊課題組長期致力于光電功能分子和光催化體系設計與模擬領域的研究，聚焦于電子運動這一關鍵主線，基于第一性原理模擬進行結(jié)構(gòu)設計以調(diào)控電子被光激發(fā)后演化行為。在此次研究中，光開關分子偶氮苯被插入到一個典型的給體-受體體系（三聯(lián)吡啶鉑配合物）中，組成一個給體-光開關-受體體系。第一性原理計算表明，該分子具有平面共軛構(gòu)型，可以吸收可見光，產(chǎn)生的受激電子會從偶氮苯和給體迅速轉(zhuǎn)移到能級更低的受體上（時間約為2皮秒）；而失去電子的偶氮苯分子順反異構(gòu)勢壘會降低，從而自發(fā)發(fā)生從反式到順式的構(gòu)型轉(zhuǎn)換（時間尺度為皮秒-納秒量級）；分子構(gòu)型轉(zhuǎn)變導致體系的共軛結(jié)構(gòu)被破壞，導電性也大大降低，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存在受體和給體上，實現(xiàn)了高效的電荷分離（激發(fā)態(tài)壽命為微秒量級）；當受激電子被消耗（流入電極）之后，分子回到基態(tài)，此時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)。

該體系抑制了有機太陽能電池中的電荷復合過程，實現(xiàn)了高效的電荷分離和分子導電性的自動切換，是首個自適應開關的有機太陽能電池設計。此外，給體-光開關-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，其他光開關分子和給體-受體體系也可以用于這一復合體系中。這一設計采用有機物小分子作為材料，解決了有機太陽能電池中容易發(fā)生電荷復合和導電性無法切換的問題，為低成本、易合成的有機分子體系大規(guī)模用于太陽能電池、光催化等領域提供了研究思路。

相關研究成果發(fā)表在《物理化學快報》上，博士研究生伍子夜、博士崔鵬、張國楨為共同第一作者，江俊為通訊作者。該研究得到了國家重點基礎研究發(fā)展計劃青年科學家專題項目、國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項的資助。