有机太阳能电池的巨大突破

【概要】在价格愈发便宜，无处不在的太阳能电池发展中，研究人员找到了一种方法，使电子传输效率远远超过以前用于有机太阳能电池和其他有机半导体的材料。

【图注】在Randall实验室内进行的有机太阳能电池测试。Michigan 大学的研究人员已找到一种方法来驱使电子传输效率远远超过以前的有机太阳能电池和其他有机半导体材料。

“多年来，人们认为有机物导电性弱是不可避免的事实，但实验表明情况并非如此，”Peter A. Franken教授和Paul G. Goebel教授在UM领导此项研究。与当今广泛使用的无机太阳能电池不同，有机物可由便宜的柔性碳基材料如塑料所制成，制造商可使用各种颜色和配置将它们卷起来，几乎可以无缝地层压到任何表面上。然而，有机物极差的传导性已逐步限制研究进展，Forrest 相信这个发现可以改变该领域的研究方向。

研究小组发现，富勒烯分子的薄层，即有趣的圆形碳Buckyballs分子可以使电子从它们被光子撞击的地方移动数厘米。与如今电子只能行进几百纳米或更少的有机电池相比，这是一个戏剧性的增长。

电子从一个原子移动到另一个原子中，构成太阳能电池或电子元件中的电流。当今无机太阳能电池和其他半导体中使用的硅材料紧密结合了原子网络，使得电子易于穿过材料。但有机材料的致命弱点在于，其单个分子之间有很多可以捕获电子的松散的键。新的实验发现表明，研究员将有能调整其导电性能及其具体应用。

在有机半导体中电子自由运动的能力对材料性质影响极大，如有机太阳能电池的表面必须覆盖一层导电电极，在最初产生的位置上收集电子。但是自由移动的电子则可以在距离起点较远处收集。这使制造商能够将导电电极缩小到不可见的网格中，从而为窗户和其他表面上使用的透明单元奠定基础。

UM电子工程与计算机科学研究人员Quinn Burlingame说：“这一发现为我们提供了一个新的思路，可以在设计有机太阳能电池和其他有机半导体器件时发挥新的作用，远程电子传输为器件架构开辟了许多新的可能性。”

Burlingame表示，这个现象的最初发现，是团队尝试提高有机太阳能电池结构效率时，所发生的一个意外。使用一种真空热蒸发的常用技术，它们在有机电池发电层顶部的C60富勒烯薄膜（每个由60个碳原子组成）上分层，即阳光中的光子使电子从其相关联的分子中脱离出来。在富勒烯上面，他们又放了一层以防止电子逸出。

他们发现了一种他们以前从未见过的有机物质，即电子在该材料中不受约束，其甚至在电池的发电区域之外。通过数月的实验，他们确定富勒烯层形成了能量阱（一个低能量区域），可防止带负电荷的电子与发电层留下的正电荷重新结合。

U-M物理系研究员，该研究的作者Caleb Cobourn说：“你可以想象一种结构，能量就像峡谷一样，电子落入其中，不能退缩。所以他们继续在富勒烯层中自由移动，而不是像在发电层中那样重新组合，它就像一个巨大的天线，可以从设备的任何地方收集电子电荷。

Forrest告诫道，这种发现在太阳能电池等应用中仅仅是理论基础，但这一发现对理解和应用有机半导体性质具有极大的影响。他说：“我相信，无处不在的太阳能是改善我们持续变暖和日益拥挤星球的关键，这意味着可将太阳能电池放在建筑物外墙和窗户等日常用品上。这样的技术有助于我们以低成本便捷的方式发电。”

原文链接：Semiconductor breakthrough may be game-changer for organic solar cells
本文由材料人编辑部李妹编辑，点我加入材料人编辑部。

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