近日,美國密歇根州立大學研究人員開發(fā)出一種新方法,使得電子在太陽能電池和其他有機半導體常用的材料中傳輸?shù)酶h。這項突破性科研進展有望使得低成本、無處不在的太陽能電池變?yōu)楝F(xiàn)實。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》雜志中。此外,這項研究標題為“在光敏有機異質(zhì)結(jié)構(gòu)中厘米級的電子擴散” (Centimeter-Scale Electron Diffusion in Photoactive Organic Heterostructures),得到了美國能源部 SunShot 項目和美國空軍科研辦公室的支持。
密歇根州立大學工程系教授 Stephen Forrest 表示:“多年以來,人們都將有機物導電性差當成一項不可避免的事實。然而,這項研究表明情況并不總是如此。”Forrest 認為這項發(fā)現(xiàn)將改變游戲規(guī)則。
這里不得不提及單質(zhì)碳的第三種同素異形體:富勒烯(Fullerene)。富勒烯是指任何由碳一種元素組成,以球狀,橢圓狀,或管狀結(jié)構(gòu)存在的一類物質(zhì)。很像足球的球型富勒烯也叫做足球烯,或音譯為巴基球。
團隊證實:一薄層富勒烯分子上,如果有一個點被光子撞擊得松散,電子則可以從那點起傳輸可達幾厘米。而在當今的有機電池中,電子只能傳輸幾百納米或者更近的距離。因此,它代表著一種顯著的改善。
電子從一個原子移動到另外一個原子,形成了太陽能電池或者電子元器件中的電流。如今的無機太陽能電池或者其他半導體中使用的材料,例如硅,緊緊地束縛住了原子網(wǎng)絡(luò),讓電子更容易地穿過材料。
但是,有機材料的單個分子之間的連接更加松散,因此會囚禁住電子。一直以來,這就是有機電子器件的致命要害。但是新發(fā)現(xiàn)顯示,對于特殊應(yīng)用來說,可以稍稍改變有機電子器件的導電性。
讓電子在有機半導體中更加自由移動,其更加深遠的意義。例如,如今的有機太陽能電池的表面必需覆蓋導電電極,導電電極會將電子聚集到它們開始產(chǎn)生的地方。但是,自由移動的電子卻可以遠離起始點進行聚集。這將可以使得制造商們能將導電電極縮小成不可見的網(wǎng)格,從而為用于窗戶和其他表面的透明電池鋪平了道路。
密歇根州立大學電氣工程和計算機科學系研究生、論文作者之一Burlingame 表示,最初發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象來源于一次意外,團隊正在進行有機太陽能電池架構(gòu)實驗,希望提升其效率。他們使用一項稱為“真空熱蒸發(fā)”的普通技術(shù),對于C60富勒烯進行分層,每一層都由60個碳原子組成,位于有機電池的產(chǎn)電層上方。在產(chǎn)電層中,太陽光中的光子撞擊電子,使得電子與它們相關(guān)聯(lián)的分子之間的連接變得松散。在富勒烯頂部,他們放置了另外一層以防止電子逃脫。
他們發(fā)現(xiàn)之前在有機物中從未發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象:電子不受約束地通過材料傳輸,甚至到達電池產(chǎn)電層外部。經(jīng)過幾個月實驗,他們決定采用富勒烯形成所謂“勢阱”,這種低能量區(qū)域防止帶負電荷的電子與產(chǎn)電層中剩下的正電荷重新結(jié)合。
這項發(fā)現(xiàn)將帶來新的契機,有利于設(shè)計有機太陽能電池和其他有機半導體器件。長距離電子傳輸為器件架構(gòu)帶來了許多新的可能性。此外,這項探索在理解和開發(fā)有機半導體特性方面的深遠意義。
無處不在的太陽能對于我們這個持續(xù)變暖和不斷擁擠的星球來說很關(guān)鍵。并且,這意味著太陽能電池可以出現(xiàn)在日常物體例如建筑立面和窗戶上。這樣的技術(shù)將幫助我們以更加廉價和幾乎不可見的方式生產(chǎn)電力。