为了开发更高效的下一代太阳能收集材料，研究人员必须学会控制分子相互作用的方式——它们吸收光时的“相干性”。为了获得这种控制，他们需要评估方法。

艺术与科学学院化学和化学生物学助理教授Andrew J. Musser 和Phillip J. Milner发现，颜色可以帮助量化能量通过特定类型晶体（称为金属有机骨架）的方式（ MOF），其中排列有光敏分子。Milner 小组根据各自的缺陷水平构建了具有两种不同结构的不同 MOF，这是 MOF 领域的一项重要发现，因为它非常简单。然后，Musser 小组在紫外光下评估了这两种 MOF；一个发出绿色光，显示出更高的阶数和更少的能量发射。一个发出蓝色光，显示出更少的秩序和更多的能量。

该结果为研究人员提供了一种评估更复杂的太阳能收集材料的方法，这种材料必须允许能量在三个维度上移动。

“Enhancing Dynamic Spectral Diffusion in Metal-Organic Frameworks Through Defect Engineering”于1 月 3 日发表在美国化学学会杂志上。第一作者是米尔纳小组前博士后研究员 Arjun Halder 和 David C. Bain，博士生Musser 组。作为一名本科生研究员，Stavrini Tsangari '21 做出了重大贡献。

该论文是 Milner 和 Musser 合作项目“控制模块化框架材料中的量子力学相干性”的基础研究，该项目得到艺术与科学学院新前沿基金的支持，旨在构建用于太阳能收集和量子信息科学的下一代材料。

“我们正在努力开发的材料旨在提高硅太阳能电池的效率，或者实际上是任何类型的太阳能电池。”Musser 说。“他们将更有效地利用太阳光谱蓝色一侧的光，从而产生更高的功率输出。如果我们能让它发挥作用，它将对太阳能发电产生变革。”

有机半导体受它们在晶体中堆积在一起的方式的支配，这种方式很难控制。分子最终进入晶体的方式控制着材料的行为。

Milner 专门研究通过在晶体网格中排列有机分子来设计 MOF，例如 Tinker Toy 组件。通过改变各个部分的大小并改变它们连接的角度，他系统地调整了分子相互作用的方式。“由于其出色的可调性，MOF 有望用于与清洁能源未来相关的一系列应用，包括太阳能收集，”Milner 说。

在 Halder 的带领下，Milner 小组发现，通过简单调整制造 MOF 时的加工条件，他们可以将分子包装成两种不同的结构形式，主要是通过控制材料中的缺陷。

Halder 发现这两种不同的 MOF 在紫外光下发出不同的颜色。他请 Musser 团队中的贝恩帮助他理解这意味着什么。

“通常，分子或材料发光的颜色是其电子特性的读出，”Musser 说。“不同的颜色告诉你这种材料发生了一些根本性的变化；电子以不同的方式吸收和发射光。”

Musser 小组应用他们开发的光谱工具来分析这两种 MOF。Musser 说，哪里有更多的缺陷，就会有更多的无序，而材料中更高的无序会改变它管理能量的能力。

“用我们的光谱测量绘制能量紊乱图表明，当你有更多的紊乱时，你可以实时看到这一点，因为能量会通过不同的位置迁移并改变它发出的光的颜色，”Musser 说。“当有更多的混乱时，你会有更多的能量迁移，这会改变框架的颜色。”

Musser 说，发绿光的 MOF 更加有序，大多数分子的行为方式相同，发射的能量更低。另一个 MOF 的蓝色光子表示更高的能态、更多的无序和更多的能量发射。

在太阳能的背景下，这些特殊的 MOF 本身并没有用处，但研究人员已经在使用他们在调整分子相互作用和测量能量迁移方面学到的知识来分析更复杂的材料。

“在分子材料收集太阳能的任何应用中，关键步骤之一是能量必须在三个维度上移动，”Musser 说。“在太阳能电池中，只要光被吸收，就会产生激发态的电子。它们必须移动到某种界面，在那里电子被分离并转化为能量。有时这个距离很短，比如 10 纳米。但它可能会长 10 倍甚至更多。”

凯特·布莱克伍德 (Kate Blackwood) 是艺术与科学学院的作家。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。