构建更好的太阳能电池利用三蝶烯支架组装二维分子结构

材料科学和电子学领域的研究依赖于分子或原子的创新排列，以开发具有传统材料所不具备的独特性能的材料。薄层排列的π电子系统二维(2D)组装在材料科学和有机电子学领域变得越来越重要。

它们独特的排列方式赋予了它们特定的电子和物理特性，使其成为太阳能电池和柔性显示器等应用的理想选择。然而，创建这样的组件具有挑战性，因为它通常需要针对每种类型的分子进行特殊的设计和技术。

在2024年9月13日发表在《ScienceAdvances》上的一项研究中，东京科学研究所的助理教授TomoyaFukui和教授TakanoriFukushima与庆应义塾大学的TakuHasobe教授合作，提出了一种使用超分子支架的简化方法。

这些支架充当分子模板，允许将各种分子组装成二维结构，而无需为每个组件进行自定义设置。

研究人员使用1,8,13-取代的三足三蝶烯作为超分子支架。基于三足三蝶烯的超分子支架可以组装成二维六边形图案，并可沿一维堆叠，从而形成“2D+1D”结构。这些层之间的空间可以容纳其他分子。在他们早期的工作中，该团队在这些层内加入了球形富勒烯(C60)分子。

在他们最新的研究中，他们证明这种支架还可以通过将并五苯和蒽发色团夹在两个三蝶烯单元之间来组织平面并苯发色团，形成两个不同的二维自组装结构。

之所以选择Acenes，是因为它们具有单线态裂变(SF)的潜力。在此过程中，单个高能光子被转换成两个低能三线态激子，这有望通过增加电荷载体来提高太阳能电池的效率。

福井博士指出，为了在固态下实现有效的单线态裂变，必须满足两个条件：“并苯发色团需要彼此靠近放置，以提供足够的电子耦合。其次，需要设计发色团周围的环境，使它们能够发生构象变化，以防止三线态复合。”

在基于五苯的组装体中，发色团的有效重叠使单线态裂变得以发生，产生一对三线态的量子产率为88%，产生两个自由三线态的量子产率为130%。然而，基于蒽的组装体没有表现出单线态裂变，可能是因为发色团之间的电子耦合较弱。

福岛教授解释说：“五苯并发色团的尺寸大于三蝶烯骨架的直径，它们具有有效的重叠，从而引起SF，而在蒽类似物的组装中，发色团之间的这种重叠不会发生。”

这种组件可以集成到梳状电极中，为设备应用铺平道路。

Hasobe教授表示：“这证明了基于三蝶烯的超分子支架在设计功能性π电子分子组装方面的实用性。”

该支架的适应性设计为构建具有不同分子的二维组件提供了一个多功能平台，为超分子化学、材料科学和有机电子学的进步铺平了道路。