像板块一样堆叠分子可提高有机太阳能装置的性能

利用太阳能对于清洁、绿色的未来至关重要。为此，我们需要太阳能电池等光电设备，它们可以高效地将光转化为电能。现在，大阪大学领导的一个团队发现了如何进一步提高设备效率：通过控制吸光分子的堆叠方式。

有机光电器件(例如有机太阳能电池)因其固有优势(例如灵活性或重量轻)而越来越受欢迎。它们的性能取决于其吸光有机分子将光能转化为自由电荷载体(携带电流)的能力。产生自由电荷载体所需的能量称为激子结合能。

激子结合能越低，越容易产生自由电荷载流子，器件性能越好。然而，我们仍然很难设计出固态下具有低激子结合能的分子。

经过深入研究，研究小组发现固体材料的激子结合能受到其分子堆叠方式的影响，即聚集。

“我们合成了两种类似的星形分子，一种具有柔性中心，另一种具有刚性中心，”主要作者 Hiroki Mori 解释道。“单个分子在溶液中分散时表现相似，但当它们堆叠在一起形成薄固体膜时则表现截然不同。”

行为上的差异是由于刚性分子像板块一样很好地堆叠在一起，而柔性分子则不然。换句话说，当处于固态时，刚性分子的激子结合能比柔性分子低得多。

为了验证这一点，该团队利用每种分子构建了一个单组分有机太阳能电池和光催化剂。由刚性分子制成的太阳能电池和光催化剂表现出令人印象深刻的性能，因为它们的低激子结合能导致自由电荷载体的产生量很高。

“我们的研究发现，制造出能够很好地聚集的分子可以降低激子结合能，这确实令人兴奋，”资深作者 Yutaka Ie 说道。“这可以为我们提供一种设计更高效光电设备的新方法。”

研究团队的研究成果发表在《应用化学国际版》上，表明固体中分子之间的相互作用对器件性能至关重要，高性能光电器件的分子设计应该超越单个分子的特性。

这种降低激子结合能的新方法可以为下一代光电器件的驱动机制和架构奠定基础。

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