有機半導體研究獲新突破:有效改善有機太陽能電池導電性!

2020-12-05 環球創新智慧

導讀

近日，美國密西根州立大學研究人員開發出一種新方法，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得更遠。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為現實。

背景

太陽能，作為一種典型的新能源，具有清潔、可再生、無汙染、易獲取等優勢。或許，不久的將來，太陽能的利用將變得更加有效且便捷。太陽能電池在我們周圍將變得無處不在，例如：窗戶和牆壁、汽車、智慧型手機、平板電腦等物體上都會看到太陽能電池。

不同於如今廣泛使用的無機太陽能電池，有機物能夠由廉價的柔性碳基材料例如塑料製成。製造商們以不同的顏色和配置，成捲地大批量生產，再小心翼翼地將它們層壓到幾乎任何物體表面。

有機成分組成的光伏太陽能電池，相對於現有的無機矽太陽能電池，優勢更加明顯。例如，它們更廉價、更易製造、輕量、柔軟、透明。此外，許多有機材料都可以吸收太陽光中的紫外線和紅外線部分，但是可以傳播我們肉眼能檢測到的可見光部分。所以，有機太陽能電池可以安裝在我們周圍物體的表面吸收能量，並且並不是容易被人眼看到。

（圖片來源：Richard Lunt / 密西根州立大學）

然而，有機物導電性差已經「臭名昭著」，它減緩了有機太陽能電池的研究進展。

創新

近日，美國密西根州立大學研究人員開發出一種新方法，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得更遠。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為現實。

（圖片來源：Robert Coelius，密西根州立大學工程系）

一篇發表於1月17日的《自然》雜誌的論文詳細描述了這一研究成果。這項研究標題為「在光敏有機異質結構中釐米級的電子擴散」 （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。

技術

密西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，這項研究表明情況並不總是如此。」Forrest 認為這項發現將改變遊戲規則。

這裡不得不提及單質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，或管狀結構存在的一類物質。很像足球的球型富勒烯也叫做足球烯，或音譯為巴基球。

（圖片來源：維基百科）

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鬆散，電子則可以從那點起傳輸可達幾釐米。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，例如矽，緊緊地束縛住了原子網絡，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鬆散，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。但是新發現顯示，對於特殊應用來說，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。這將可以使得製造商們能將導電電極縮小成不可見的網格，從而為用於窗戶和其他表面的透明電池鋪平了道路。

密西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，最初發現這個現象來源於一次意外，團隊正在進行有機太陽能電池架構實驗，希望提升其效率。他們使用一項稱為「真空熱蒸發」的普通技術，對於C60富勒烯進行分層，每一層都由60個碳原子組成，位於有機電池的產電層上方。在產電層中，太陽光中的光子撞擊電子，使得電子與它們相關聯的分子之間的連接變得鬆散。在富勒烯頂部，他們放置了另外一層以防止電子逃脫。

他們發現之前在有機物中從未發現的現象：電子不受約束地通過材料傳輸，甚至到達電池產電層外部。經過幾個月實驗，他們決定採用富勒烯形成所謂「勢阱」，這種低能量區域防止帶負電荷的電子與產電層中剩下的正電荷重新結合。

（圖片來源：Robert Coelius，密西根州立大學工程系）

密西根州立大學物理系的研究生研究員、論文作者之一 Caleb Cobourn 表示：「你可以將勢阱當成一種峽谷，電力跌落到其中，就無法出來。所以它們繼續在富勒烯層中自由移動，而不是在產電層中重新結合，而它們通常會重新結合。」

價值

Quinn Burlingame 表示：「這項發現賦予我們一個新契機，有利於我們設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帶來了許多新的可能性。」

Forrest 表示，這項科研探索廣泛的用途，例如太陽能電池，現在都是理論上的。但是，他感到激動的是，這項探索在理解和開發有機半導體特性方面的深遠意義。

Forrest 表示：「我相信，無處不在的太陽能對於我們這個持續變暖和不斷擁擠的星球來說很關鍵。並且，這意味著太陽能電池可以出現在日常物體例如建築立面和窗戶上。這樣的技術將幫助我們以更加廉價和幾乎不可見的方式生產電力。」

關鍵字

太陽能、電池、有機電子

參考資料

【1】http://ns.umich.edu/new/multimedia/videos/25377-semiconductor-breakthrough-may-be-game-changer-for-organic-solar-cells

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