太阳能电池的效率取决于对组装成比人类头发丝薄1000倍薄膜的聚合物材料的精确操控。当前，聚合物的形成需要溶剂，这会破坏环境，但科学家们利用表面活性剂（类似于洗涤剂分子）作为模板已经找到了一种更加“绿色环保”的方式来控制光伏聚合物在水中的组装。

表面活性剂诱导功能性聚合物结构在水溶液中的自组装。

图片版权所有：美国能源部橡树岭国家实验室，由Youngkyu Han和Renee Manning提供。

太阳能电池的效率取决于对组装成比人类头发丝薄1000倍薄膜的聚合物材料的精确操控。

当前，聚合物的形成需要溶剂，这会破坏环境，但来自于美国能源部橡树岭国家实验室的科学家们利用表面活性剂（类似于洗涤剂分子）作为模板已经找到了一种更加“绿色环保”的方式来控制光伏聚合物在水中的组装。相关成果发表于英国皇家化学学会（Royal Society of Chemistry）旗下的Nanoscale期刊上。

“采用表面活性剂实现聚合物自组装为制备具有分子水平可控性的纳米结构提供了巨大的潜力。”该论文通讯作者、ORNL散裂中子源（Spallation Neutron Source (SNS)）研究人员Changwoo Do如是说。

该项目研究人员利用了美国能源部科学办公室的三个用户设施来合成和表征这些聚合物，分别是位于ORNL纳米材料科学中心（Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS)）和SNS以及阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的先进光子源（Advanced Photon Source (APS)）。

“中子核X射线的散射是观察这些结构的完美方法。”Do如是说。

该研究表明了利用中子核光学探针跟踪分子动力学的价值。

“我们希望制备出一种非常特殊的堆垛在溶液当中的聚合物，并转化成无缺陷的薄膜，从而在光伏应用中实现电荷的快速输运。我们的结果表明了，这可以通过对动力学和热力学机理的理解，从而控制聚合物的聚集而实现。”该论文共同通讯作者之一、CNMS研究人员Ilia Ivanov如是说。

这一成果为光电及传感材料的设计提供了分子结构模块。这种半导体聚合物的设计包含了一个疏水骨干和亲水支链。水溶性支链使得这种可自组装成有机光伏材料的聚合物生产更加“绿色环保”。研究人员将这种聚合物添加到含有表面活性剂分子的水溶液当中，其中表面活性剂同样具有疏水和亲水端。不同的温度和浓度下，表面活性剂自组装成不同的模板，诱导聚合物形成不同的纳米尺度形状——六边形、球形胶束及片层状。

这种半导体聚合物当中，原子经组织使其容易共享电子。该研究为聚合物体系不同结构相以及重复形状形成功能性晶体的自组装生长提供了深入见解。这些晶体形成了光伏薄膜的基础，可为沙漠、外太空等环境提供电力。

“合理编码的分子间相互作用导致了共轭聚合物在溶液中的分子几何结构和分子间包装方式，这是光电产品和纳米技术中一直期望的。这项发展基本的阻碍在于原位表征难度。”该论文第一作者、博士后研究人员Jiahua Zhu如是说。

原位（“现场”）是指在现象（如分子形态发生改变）发生的同时进行测量。他们在已经观察到现象的体系上分离出材料后、或者是现象被首次观察到后改变测试条件以后才进行测量。该小组开发了一个测试室，可以在变化发生时利用光学探针进行表征。

中子可在溶液中探测结构（Neutrons can probe structures in solutions）

SNS（世界上最高强度的脉冲中子束）的专业知识和设备使人们有可能发现功能光伏聚合物在绿色环保溶剂中的自组装。相反的，通过选择性氘化技术来提高中子散射的效果，聚合物当中的特殊氢原子被更重的氘原子所取代——提高了对比效果。CNMS非常擅长后一项技术。

“我们需要能够看到这些分子随时间变化，从液态到固态变化时到底发生了什么。”该论文作者CNMS的Bobby Sumpter说到，“这很困难，但对于聚合物和生物分子等来说，中子是你能想到的最好探头。”他们提供的信息可引导先进材料的设计。

结合中子散射、高通量数据分析、理论、模型和仿真，科学家们开发出了一个检测相变的测试室，跟踪分子在变化温度、压力、湿度、光、溶剂组成等条件下的状态，从而使研究人员可以评估随着时间及其他条件的变化，材料发生了什么样的变化从而提高其性能。

科学家将样品放置在测试室内，并运用不同的测试仪器进行测试。测试室有一面透明，可使激光束进入从而对材料进行探测。探测模式——包括光子、电荷、磁自旋，并辅以高性能计算机——可以同时在宽范围内对要表征的物质进行操作。这个测试室未来将采用中子和X射线作为附加及互补的探针。

“原位技术在光电性能发生变化的同时测量材料的结果，可以获取材料在溶液和薄膜中动力学和热力学的变化信息。它为研究完全组装的光伏电池和亚稳态结构开辟了一个机会，可能会导致未来功能材料的独特性质。”

鉴于目前关于升温过程中相变的研究（即亚稳态和化学反应），下一步原位诊断将会对其在高压下进行表征。此外，研究人员将实施神经网络来分析具有多个反馈的复杂非线性过程。

发表于Nanoscale期刊上的论文标题为“液态共轭聚合物的分子顺序控制”（Controlling molecular ordering in solution-state conjugated polymers）。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天轮