配对量子点制备纳米太阳能电池元件

“这是首次演示的一种混合无机/有机二聚体（两粒子）材料，可以作为电子给予体-桥链-接受体（donor-bridge-acceptor）系统，把光转化为电流，”布鲁克海文国家实验室物理化学家米尔恰•考特莱特（Mircea Cotlet）说，他是论文的主要作者，这篇论文描述二聚体及其装配方法，发表于《应用化学》（Angewandte Chemie）。

通过改变连接分子的长度和量子点的大小，科学家们可以控制的速率和量级属于波动的光诱导电子转移（light-induced electron transfer），可以控制在单个二聚体水平。“这种控制使得这些二聚体成为很有前途的发电单元，可用于分子电子学或更高效的太阳能电池，”考特莱特说，和他指导这项研究的，有材料科学家徐致华（Zhihua Xu），都是在布鲁克海文国家实验室功能性纳米材料中心进行的。

科学家寻求开发分子电子学，他们非常感兴趣的是有机给予体-桥链-受体系统，因为这有广泛的电荷传输机制，也因为它们的电荷传输特性可以控制，只需改变其化学性质。近年来，量子点已结合电子接受材料，如染料，富勒烯和钛氧化物，可以制成染料敏化和混合太阳能电池，他们希望，吸光和依赖尺寸的量子点发射性能将提高这些设备的效率。但到目前为止，这些系统的电转换率仍然相当低。

“有些工作是了解所涉及的程序，以设计优化系统，这些工作一般都是考察平均性能的混合或逐层组装结构（layer-by-layer structures），而不是考察反应性，就是单个控制严密的混合供受体结构（donor-acceptor architectures）的反应性，”徐致华说。

这是一种精密的制造方法，开发者是布鲁克海文国家实验室的科学家，这使他们可以小心控制粒子大小和粒子间的距离，探索条件，进行光致电子转移（light-induced electron transfer），这种转移是在单个量子点与电子受体富勒烯之间进行，属于单分子水平。

整个装配过程发生在一个表面，采取逐步实施的方式，限制相互作用的成分（粒子），否则就可能结合为各种不同情况，如果组装采用基于溶液的方法，就会这样。这种表面装配也能达到可控制的一对一粒子配对。

为了确定最佳的粒子结构布局，科学家战略性地改变了量子点的大小，量子点吸光和发光具有不同频率，原因就在于它们的大小，科学家也改变了桥链分子的长度，这种分子连接纳米粒子。对于每一个布局，他们都测量电子转移速率，采用的是单分子光谱。

“这种方法消除了总体平均值，揭示了系统的异质性，例如波动的电子传输速率，这些是传统光谱方法不能做到的”考特莱特说。

科学家发现，减少量子点大小和连接分子的长度，可以提高电子传递速度，抑制电子转移波动。

“这样抑制电子转移波动，在二聚体中具有更小的量子点尺寸，导致更稳定的电荷生成速度，这可能正面影响应用这些二聚体，就是应用于分子电子学，也有望用于微型和大面积太阳能电池，”考特莱特说。

“学习电荷分离和重组过程，在这些简化和控制良好的二聚体结构中，可以帮助我们了解更复杂的光子到电子的转换，就是这种转换在大面积太阳能电池中的情况，最终可提高光电效率，”徐致华说。

一项美国专利申请正等待核准，所述方法和材料就是源于使用这项技术，这种技术可以授权。

更多信息：《量子点桥链富勒烯赫雷罗二聚体与可控光诱导电子转移》（Quantum Dot-Bridge-Fullerene Heterodimers with Controlled Photoinduced Electron Transfer），