电子激发态和电荷输运能级！实现调整有机半导体的能量水平

调整有机半导体的能量水平，来自德累斯顿大学应用物理与光子材料集成中心(IAPP)和先进电子德累斯顿中心(cfaed)的物理学家，以及来自图宾根、波茨坦和美因茨的研究人员，能够证明有机半导体薄膜中的电子能量是如何被静电力调谐的。由模拟支持的一系列不同实验能够使分子构建块，对载流子施加特定静电力的影响合理化，其研究成果发表在《自然通讯》上。

在基于有机半导体的电子器件如太阳能电池、发光二极管、光电探测器或晶体管中，电子激发态和电荷输运能级是描述其工作原理和性能的重要概念。然而，与传统的无机半导体(如硅芯片)相比，对应的能量学更难以获取和调整，这是一个普遍的挑战。

这既适用于测量，也适用于外部控制的影响。一个调谐旋钮利用了长程库仑相互作用，这在有机材料中得到了增强。本研究探讨了有机材料中电荷输运能级和激子态能量与共混组分和分子取向的关系。

激子是通过光吸收在半导体材料中形成的电子和空穴的束缚对。是由不同有机半导体材料组成的混合物，研究结果表明，通过调整单个分子参数，即分子在pi堆积方向上的四极矩，可以调节有机薄膜的能量学。一个电四极可以由两个正电荷和两个同样强的负电荷组成，它们形成两个相对相等的偶极子。在最简单的情况下，四个电荷交替地排列在正方形的角上。

研究进一步将有机太阳能电池的光电电压或光电流等器件参数与四极矩联系起来。这一结果有助于解释基于新型有机材料的，有机太阳能电池器件效率的最新突破。由于所观察到的静电效应是有机材料的一般性质，包括所谓的“小分子”和聚合物，可以帮助提高所有类型有机器件的性能。有机半导体器件的功能主要取决于分子能量，即电离能和电子亲和能。然而，薄膜的电离能和电子亲和能值对薄膜的形貌和组成非常敏感，因此预测它们具有挑战性。

在对锌酞菁及其氟化衍生物的组合实验和模拟研究中，作为纯膜中分子取向或共混物中混合比的函数电离能变化与沿π-π-的分子四极组分成比例。将这些发现应用于有机太阳能电池，并演示了如何调整静电相互作用，以优化电荷转移态在供体-受体界面和自由电荷载流子产生的离解势垒能量。其他材料的界面能与四极矩之间的相关性得到了证实，这表明界面能与小分子和聚合物之间的关系。

显著增强氢气产生的有机半导体光催化剂可开发更有效的能量存储技术。

化石燃料的燃烧正在导致危险的气候变化，从而推动了对更清洁可再生能源的寻找。迄今为止，太阳能是最丰富的可再生能源，但要释放其潜力，需要一种方法来存储它以备后用。

储存太阳能的标准方法是使用析氢光催化剂（hydrogen evolution photocatalysts，HEP）将能量储存在分子氢的化学键中。当前，大多数HEP由单组分无机半导体制成。这些只能吸收紫外线波长的光，这限制了它们产生氢的能力。

由KAUST太阳能中心的伊恩·麦卡洛克（Iain McCulloch）领导的团队与来自美国和英国的研究人员合作，现已开发出由两种不同的半导体材料制成的HEP。他们将这些材料掺入有机纳米粒子中，可以对其进行调整以吸收更多的可见光谱。

该研究的第一作者扬·科斯科（Jan Kosco）说：“传统上，无机半导体已用于光催化领域。但是，这些材料主要吸收紫外光，其可利用的太阳光不到太阳光谱的百分之五。因此，它们的效率受到限制。”

该团队首先使用了一种称为微乳液（miniemulsion）的方法，其中有机半导体的溶液借助稳定的表面活性剂在水中乳化。接下来，他们加热乳液以驱除溶剂，剩下表面活性剂稳定的有机半导体纳米颗粒。

通过改变表面活性剂，它们能够控制纳米颗粒的结构，将它们从核-壳结构转变为混合的供体/受体结构。共混结构使它们能够在供体聚合物和非富勒烯受体之间引入异质结。

科斯科解释说：“两种结构以相同的速率吸收光，但是在核-壳结构中，只有光生空穴到达表面；然而，在混合结构中，空穴和电子都到达纳米粒子的表面，从而增强氢气的产生。

HEP表现出的氢释放速率比单组分无机HEP所能达到的氢释放速率高一个数量级。 这为下一代储能技术奠定了基础。

麦卡洛克说：“我们目前正在研究由半导体的不同混合物形成的纳米粒子的性能，以更好地了解其结构-活性关系。我们正在寻求为其他光催化反应设计纳米粒子光催化剂，例如生成氧气或二氧化碳还原。”

---