颜色编码辅助评估新型太阳能技术材料

为了开发更高效的下一代太阳能收集材料，研究人员必须学会控制分子相互作用的方式——它们吸收光时的“相干性”。为了获得这种控制，研究人员需要评估方法。

康奈尔大学艺术与科学学院化学和化学生物学助理教授Andrew J. Musser和Phillip J. Milner发现，颜色可以帮助量化能量通过特定类型的晶体的方式，称为金属有机框架(MOF)，其中排列着光敏分子。米尔纳小组根据每个MOF的缺陷水平构建了具有两种不同结构的不同MOF，这是MOF领域因其简单性而的重要发现。然后，Musser小组在紫外光下评估了两种MOF;一个发出绿色的光，显示出更高的阶数和更少的能量。一个发出蓝色的光芒，显示出更少的秩序和更多的能量。

该结果为研究人员提供了一种评估更复杂的太阳能收集材料的方法，该方法必须允许能量在三维空间中移动。

“通过缺陷工程增强金属有机框架中的动态光谱扩散”，发表在3月<>日的《美国化学学会杂志》上。第一作者是米尔纳小组的前博士后研究员Arjun Halder和Musser小组的博士候选人David C. Bain。作为一名本科研究员，Stavrini Tsangari做出了重大贡献。

该论文是Milner和Musser合作项目“控制模块化框架材料中的量子力学相干性”的基础研究，该项目的目标是为太阳能收集和量子信息科学构建下一代材料。

“我们正在努力开发的材料旨在提高硅太阳能电池的效率，或者实际上是任何类型的太阳能电池，”Musser说。“它们将更有效地利用太阳光谱蓝色一侧的光，从而显着提高功率输出。如果我们能让这发挥作用，那将是太阳能发电的变革。

有机半导体受它们在晶体中包装在一起的方式的支配，这很难控制。分子最终进入晶体的方式控制着材料的行为。

米尔纳专门通过在晶体网格中排列有机分子来设计MOF，例如Tinker Toy组件。通过改变单个碎片的大小并改变它们连接的角度，他系统地调整了分子的相互作用方式。“由于其出色的可调性，MOF有望用于与清洁能源未来相关的一系列应用，包括太阳能收集，”米尔纳说。

在Halder的带领下，Milner小组发现，通过在制造MOF时对加工条件进行简单的调整，他们可以将分子包装成两种不同的结构形式，主要是通过控制材料的缺陷。

哈尔德发现，两种不同的MOF在紫外线下发出不同的颜色。他请马瑟小组中的贝恩帮助他理解这意味着什么。

“通常，分子或材料发光的颜色是其电子特性的读数，”Musser说。“不同的颜色告诉你，这种材料发生了一些全新的事情;电子以不同的方式吸收和发射光。

Musser小组应用他们开发的光谱工具来分析两个MOF。Musser说，哪里有更多的缺陷，哪里就有更多的无序，而材料中更高的无序会改变其管理能量的能力。

“用我们的光谱测量绘制这种能量紊乱表明，当你有更多的无序时，你可以实时看到这一点，因为能量通过不同的地点迁移并改变它发出的光的颜色，”Musser说。“当有更多的无序时，你有更多的能量迁移，这改变了框架的颜色。

发出绿色光的MOF更加有序，大多数分子的行为方式相同，发射的能量更低，Musser说。另一个MOF的蓝色光子表示更高的能量状态，更多的无序和更多的能量被发射。

在太阳能的背景下，这些特定的MOF本身并没有用，但研究人员已经在利用他们在调整分子相互作用和测量能量迁移方面学到的知识来分析更复杂的材料。

“在用于收集太阳能的分子材料的任何应用中，关键步骤之一是能量必须在三维空间中移动，”Musser说。“在太阳能电池中，无论光被吸收在哪里，都会产生激发电子的状态。它们必须移动到某种界面，在那里电子被分离并转化为能量。有时这个距离很短，比如10纳米。但它可以长 10 倍甚至更多。

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