這種材料的知名得益于“PCDTBT”，該物質(zhì)屬于聚咔唑共軛聚合物的一種，同時(shí)也是包含鏈狀碳主鏈與烷基側(cè)鏈的一種分子。該物質(zhì)可以使電子在其周圍移動(dòng)，既可以發(fā)出電子，且可以吸收電子。因此，就使得該物質(zhì)成為目前使用的最好的有機(jī)光伏材料。其應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池上，可以把陽光轉(zhuǎn)換為電力的效率提高7.2%。
目前領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)研究的布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家本杰明·奧卡說：“事實(shí)上，盡管這種材料已經(jīng)被廣泛研究和使用，但迄今為止，還沒有人詳細(xì)分析過其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。正是這種特點(diǎn)，讓該材料擁有優(yōu)越的性能。深入理解為什么這種材料擁有如此好的性能，可以幫助科學(xué)家進(jìn)一步利用其本質(zhì)屬性，設(shè)計(jì)新材料更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。包括顯示器、固態(tài)照明、晶體管等，也可以改進(jìn)太陽能電池。”
不同于以往的研究，為了探測(cè)出這種分子的結(jié)構(gòu)，研究人員把“PCDTBT”薄膜暴露在高強(qiáng)度X射線下，采用高分辨率X射線散射技術(shù)，使用布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的國家同步輻射光源（NSLS）。結(jié)果顯示，該分子在高溫下形成晶體狀相。此外，由衍射X射線產(chǎn)生的模式表明，這種結(jié)構(gòu)包含共軛主鏈對(duì)層，顯著區(qū)別于當(dāng)下研究的所有有機(jī)光伏材料所展現(xiàn)的單主鏈結(jié)構(gòu)。
論文第一作者盧新輝指出，通過分析散射模式，可以發(fā)現(xiàn)其波動(dòng)性是沿著這些聚合物主鏈變化，并同鄰近主鏈中的波動(dòng)相互轉(zhuǎn)移。通過開展分子模型的模擬，研究人員可以預(yù)測(cè)出哪些聚合物主鏈的配置能達(dá)到最穩(wěn)定的狀態(tài)。
在共軛聚合物中，主鏈提供了導(dǎo)電的路徑，而烷基側(cè)鏈類似簡單的油類，提供了加工所需的溶解度。盡管溶解度是必要的，但這些側(cè)鏈會(huì)干擾聚合物的電氣性能?？茖W(xué)家們認(rèn)為，“PCDTBT”的新奇之處在于，其主要成分是主鏈，只有很少的烷基材料。好比是油和水的關(guān)系，這種聚合物共軛主鏈對(duì)會(huì)分離，從其烷基側(cè)鏈分離后，形成雙層結(jié)構(gòu)。正是這種結(jié)構(gòu)特征帶來了材料的優(yōu)良電氣性能，這種認(rèn)知可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)出新的有機(jī)太陽能材料。
全球領(lǐng)先的開發(fā)和推廣有機(jī)太陽能電池的科納卡技術(shù)公司，其資深科學(xué)家杰夫·皮特表示：“盡管我們掌握了化學(xué)合成和有機(jī)太陽能設(shè)備制造的專業(yè)知識(shí)，但是還缺乏可以深入到結(jié)構(gòu)特性化的工具。布魯克海文實(shí)驗(yàn)室擁有這種類型的工具，再加上與同行之間的合作研究，可以使我們明白材料之間的微妙差別，賦予我們敏銳的洞察力。讓我們了解到，應(yīng)該如何設(shè)計(jì)下一代的太陽能電池材料。”
