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利用Origin研究太阳能电池的能量和电子转移

Zachary Morseth博士是北卡罗来纳大学教堂山分校的候选人,也是太阳能资料中心的成员。在那里,John M.Papanikolas建议他使用超快光谱方法计算工具来研究太阳能转换分子组件中的能量和电子转移力学。Morseth告诉我们,当他开始研究学习时,它开始使用Origin,他和他的团队中的其他人严重依赖Origin。


“我们的团队主要有光谱学家和显微镜师组成,因此数据分析和可视化随我们来说非常重要。Origin为我们的研究小组提供了用户友好的界面,用于处理(即平滑,缩放等),曲线拟合和创建出版品质数据。”


“曲线拟合是稳健的,具有轻松的全局拟合以分析多个数据集的额外好处。除了这些基本特征之外,Origin还为我们通过了定义新拟合函数的自由,这是随着新数学模型不断开发的必要特征。”


“我们还利用了一些三维绘图功能,使我们能够快速分析并与多变量数据集进行交互。”Morseth解释说,他的工作主要集中在由聚合物主链和附着的异靛蓝(iI)悬垂发色团组成的捕光组件中发生的分子内能量和电子转移过程。Morseth比较了由聚芴+异靛蓝垂饰(PF-iI)和聚噻吩+异靛蓝垂饰(PT-iI)组成的聚合物。“聚芴和聚噻吩是相当流行的共轭聚合物,而异靛蓝近来在有机光伏领域成为流行的发色团。”


“使用这些聚合物系统具有吸引力的特征之一是定向能量和/或到特定位置的电荷流量。由于太阳光谱从紫外区域跨越到近红外区域,因此设计能够吸收大部分阳光并且还能够将能量移动到特定位置以产生电流和/或驱动化学反应的分子组件是重要的。异靛蓝发色团吸收可见光区域的很大一部分,但聚合物骨架用于填充一些间隙并增强光吸收性能。”



Morseth通过对它们进行超快激光脉冲(<200飞秒)来研究这些聚合物混合物中的能量和电荷流动。这些脉冲用于沿聚合物主链激发区段,使Morseth能够测量能量或电子转移到悬垂生色团的速率。


“超快实验的数据分析在Origin进行。为了充分理解这些复杂的动力学,我们利用理论模型(在MATLAB中实现)增强了超快激光实验,应用于从分子动力学模拟中获得的聚合物结构,以模拟光制动力学。这项工作的一个重要组成部分是了解聚合物结构如何影响聚合物激发态猝灭的速率。我们编制了数百万个供体—受体距离并将它们导入Origin以生成距离分布并执行描述性统计。”



供体—受体距离分布(图2,红色条)表示沿骨架的每个单体单元与每个悬垂的异靛蓝之间的距离。条形代表总距离分布,而条形底部的底线代表“去卷积”距离分布。


Morseth指出,在一个非常简单的模型中,由单个单体单元(芴或噻吩)和位于与单体单元相距特定距离的单一异靛蓝发色团组成,将存在单一的能量转移率和单一的电子转移率。然而,所研究的系统更复杂,因为每个单体将被许多悬垂的异靛蓝发色团包围,因此将存在许多不同的个体能量和电子转移速率。因此,这些猝灭过程的总动力表达式所有这些转移速率的函数。


Morseth发现,在这些复杂系统中,围绕单个单体单元的异靛蓝垂饰的密度对总电子和能量转移率具有显著影响。当你有足够接近并且能够猝灭聚合物激发态的多个生色团(3个或更多)时,总能量和电子转移速率被放大,并且可以是简单单体+单色生物体系发现的速率的3倍以上。


受体—受体分布(图2,黄色条)说明了悬垂的异靛蓝发色团的总密度。Morseth指出,尽管这不如供体—受体分布那么总要。但它确实表明PT-iI聚合物中的垂饰往往比PF-iI聚合物更接近,因为它的尺寸相对较小。噻吩单体(骨架单体单元较短,因此垂饰彼此更接近)。



下图(图4,5)表示聚合物激发态的演变,从200飞秒到1纳秒。均聚物(PF和PT)是蓝色的,而组件(PF-iI和PT-iI)是红色的。


Morseth解释说:“我们在这里看到的是聚合物激发态非常快速得猝灭(在几秒内)。瞬态吸收差异谱相当复杂,并且很难得出关于激发后这些组件中发生的情况的任何合理结论。我们可以肯定得看到两个组件中都发生了电子转移(两个载玻片上的图C显示了电子转移),但确定速率很困难。我们开始计算建模以增加实验结果并试图理解为什么能量转移在PF-iI中占主导地位以及为什么电子转移在PT-iI中如此之快。”


“在PF-iI的情况下,异靛蓝的吸收光谱与PF的发射光谱(共振能量转移的条件)显著重叠,因此大多数激发态通过能量转移到垂饰而衰变。在PT-iI的情况下,这种重叠减少但电子转移的电子耦合(相互作用强度)增加,因此几何所有的PT-激发态都通过电子转移而衰减。”



当被问及这项研究对未来研究的影响时,Morseth说:“这是开发一种具有广泛可见吸收的全有机分子组装的第一次迭代。未来的设计可能会使用具有较长激发态寿命的悬垂发色团,以帮助提高太阳能效率。”


他还评论说,Origin将继续成为他研究的重要组成部分。我在几个当前项目中使用Origin。一个项目类似于本案研究中讨论的工作,但我们将分析溶剂的影响。除了制作出版品质的数据外,我们还计划使用统计工具对溶剂是否控制大分子聚合物结构进行假设检验。





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2019-05-10

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