隨著世界試圖過渡到清潔和可再生能源，例如太陽能，科學(xué)家們正在努力使太陽能電池更有效地生產(chǎn)電力。在這些有希望的方法中，有兩種快速發(fā)展的光伏技術(shù)，具有廉價(jià)的可持續(xù)太陽能發(fā)電的潛力：有機(jī)太陽能電池和鉛鹵化物過氧化物太陽能電池。
與基于晶體硅的商業(yè)太陽能電池相比，它們的主要優(yōu)勢在于從溶液中沉積光活性層的成本低，使能源生產(chǎn)更加便宜，另一方面簡化了印刷技術(shù)和卷對卷制造的規(guī)模，并能在柔性和可拉伸的表面上制造設(shè)備。
然而，這些技術(shù)的廣泛采用有幾個(gè)障礙。首先，有機(jī)太陽能電池的效率仍有很長的路要走，這將需要調(diào)整光活性層的組成。在有機(jī)太陽能電池中，光到能量的轉(zhuǎn)換發(fā)生在由供體和受體材料的混合物組成的光活性層中--供體通常是共軛聚合物。
至于過氧化物太陽能電池，它們已經(jīng)達(dá)到了驚人的25.5%的認(rèn)證效率紀(jì)錄，但長期穩(wěn)定性仍然是一個(gè)問題。最近的研究表明，通過用提供有效封裝的電荷提取層覆蓋光活性過氧化物材料，可以改善裝置的穩(wěn)定性。在其他材料中，這種保護(hù)功能可能由共軛聚合物來完成，這使得通過改進(jìn)其合成來最大限度地提高其質(zhì)量變得非常重要。
"共軛聚合物有各種重要的應(yīng)用，促使我們研究如何優(yōu)化其合成以提高其質(zhì)量，這將帶來光伏設(shè)備的更好性能。我們的研究重點(diǎn)是一種特殊類型的共軛聚合物，它在聚合物鏈中含有異吲哚單元。研究結(jié)果表明，在用于合成異吲哚基材料的兩種合成途徑中，斯蒂爾反應(yīng)應(yīng)優(yōu)先于鈴木反應(yīng)，作為合成的最后一步，"斯科爾技術(shù)學(xué)院博士生Marina Tepliakova解釋說。
Marina Tepliakova與Skoltech技術(shù)總監(jiān)Keith Stevenson和他們來自RAS化學(xué)物理問題研究所的同事一起，合成了一種基于異靛藍(lán)的共軛聚合物，這是一種眾所周知的靛藍(lán)染料的異構(gòu)體。該團(tuán)隊(duì)采用了兩種常用于生產(chǎn)基于異靛藍(lán)的聚合物的合成途徑：斯蒂爾反應(yīng)和鈴木縮聚反應(yīng)。
共軛聚合物是有機(jī)材料，通常在其結(jié)構(gòu)中含有交替的供體和受體單元，這就是為什么它們也被稱為D-A-D-A-D材料。D和A單元被稱為單體，通過各種聚合反應(yīng)連接成聚合鏈，每一種反應(yīng)都依賴于單體開始時(shí)帶有某些額外的功能團(tuán)。對于將異吲哚單元作為受體成分的聚合物，有兩條合成路線，Skoltech-IPCP RAS團(tuán)隊(duì)的研究對這兩條路線都進(jìn)行了研究。
除了上面提到的官能團(tuán)的區(qū)別，這兩種合成途徑在所需的反應(yīng)條件方面也有所不同。例如，鈴木縮聚工藝要求無機(jī)堿與兩個(gè)單體一起存在于不相溶的液體混合物中：水和有機(jī)溶劑。單體在各相之間的轉(zhuǎn)移是由被稱為轉(zhuǎn)移催化劑的特殊分子促成的。斯蒂爾反應(yīng)通常發(fā)生在一個(gè)相中并在高溫下進(jìn)行。此外，這兩個(gè)反應(yīng)都需要鈀基催化劑。
"我們的第一個(gè)觀察結(jié)果是，鈴木反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)條件與基于異吲哚的單體合成不兼容，"Marina Tepliakova評論說。"使用高效液相色譜法，我們觀察到單體信號分解為一些副產(chǎn)品的三個(gè)不同信號，在標(biāo)準(zhǔn)鈴木條件下具有不同的保留時(shí)間。這意味著基于異吲哚的單體正在發(fā)生不可逆的破壞。所以我們調(diào)整了反應(yīng)條件，直到它們對材料無害為止"。
高效液相色譜法是一種分析技術(shù)，它通過在壓力下將混合物泵入填充有吸附劑材料的柱子來識別其中的成分。由于混合物中的每一種化合物都以不同的方式與吸附劑發(fā)生作用，因此可以通過其獨(dú)特的保留時(shí)間來識別，即它需要多長時(shí)間才能完成。
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