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電腦裡的虛擬材料實驗室

有機太陽能電池是以具有半導體性質的高分子材料製成的元件,藉由化學合成方式調整高分子材料的能隙,就可涵蓋不同範圍的太陽光譜。
 
 
 
中央研究院有機太陽能電池研究團隊中負責電腦模擬實驗的包淳偉博士,應用多尺度分子模擬開發了「粗粒化分子模型」,突破以往只能做到數奈米的限制,實現了數十乃至上百奈米尺度的電腦模擬,獲得的資訊可以解釋有機太陽能電池的實驗結果,協助元件材料與製程的開發。

有機太陽能電池是以具有半導體性質的高分子材料製成的元件,藉由化學合成方式調整高分子材料的能隙,就可涵蓋不同範圍的太陽光譜。由於這種材料的吸光係數很高,僅需塗布數百奈米厚度的有機層;若堆疊數層的有機層微結構,並於每一層塗布不同的吸光材料,將可吸收更廣範圍的太陽光譜,提升電池的光電轉換率。

有機太陽能電池的發電原理是,當微結構吸光層受光照射後會形成被束縛的電子/電洞對;當這些電子/電洞對擴散到電子受體與電子供體界面時,會解離成自由的電子與電洞,並進入電子受體與電子供體相域前往電極,而產生光電流。

由此可知電池的微結構設計非常重要,如果微結構的界面面積夠大,就能解離更多的電子與電洞。又如果選用的材料與電池的陽極、陰極有良好的匹配性,就能把電子或電洞順利地轉送出去,產生更多電流。

以往,這些微觀的變化過程只能透過實驗量測去了解,但在實驗中只能看到微結構的表層變化,無法知道微結構的三維材料形貌。為此,研究人員開發了許多「藝臻化境(state-of-art)」的三維微結構量測方法,然而某些重要的資訊依然看不到,因此仍需借重電腦模擬實驗以補足缺失的資訊。

所謂電腦模擬是指,針對目標對象的要求建立真實的模擬模型,並把不同的實驗條件輸入電腦,再透過電腦系統演示運行狀態,以獲得實驗量測無法觀察的珍貴資訊。

包博士的做法是,把高分子材料P3HT的單體與碳60衍生物PCBM的分子各自簡化為粗粒化原子;為確定其精確性,他先執行了一個較小系統的分子模擬,以便得到單體與單體間鍵結長度的分布;之後再設計粗粒化分子模型間,以及粗粒化原子與粗粒化原子之間的作用力,並在粗粒化原子模型裡得到與小尺度分子模擬一樣的原子分布,如此確定了粗粒化原子間的作用參數;接著再利用這些參數做更大的尺度,甚至是實際結構的分子模擬,以協助團隊解釋實驗的結果。

在利用「粗粒化分子模型」進行一系列電腦實驗後,他發現於1:1摻混比下,P3HT/PCBM的界面比會最大,表示這摻混比相較其他比例能解離更多的電子與電洞。此外,包博士團隊也用「粗粒化分子模型」模擬了P3HT:TiO2奈米晶體混摻系統的奈米結構,並且發現P3HT長鏈會傾向沿著TiO2奈米柱的軸向量延伸。因此若使用TiO2奈米柱做為電子受體材料,將可以更有效地提升P3HT高分子的結晶性,增進電洞的傳輸效率,乃至改善電池的效率。

從以上成果可知,多尺度分子模擬確能成功協助研究團隊解釋實驗現象,提供實驗不易觀察的奈米形貌性質,並且得到最佳化的製程參數,從而提升有機太陽能電池元件的光電轉換率。因此,藉由電腦模擬協助材料與製程的開發,將是未來相關產業發展非常重要的一環。

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