這是由密歇根大學(xué)的研究人員開發(fā)的含有富勒烯分子薄層的新型有機(jī)太陽能電池。照片來源：密歇根大學(xué)的Robert Coelius。

密歇根大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，在推動(dòng)廉價(jià)、無處不在的太陽能更接近現(xiàn)實(shí)的發(fā)展中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種使電子能夠在有機(jī)太陽能電池和其他有機(jī)半導(dǎo)體等經(jīng)常使用的材料中比以前傳播的更遠(yuǎn)的方法。

負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的工程學(xué)教授tephen Forrest說：“多年來，人們一直把有機(jī)物質(zhì)的低導(dǎo)電性視為一個(gè)不可避免的事實(shí)，現(xiàn)實(shí)情況并不總是如此”。

? 與當(dāng)今廣泛使用的無機(jī)太陽能電池不同，有機(jī)物質(zhì)可以由廉價(jià)、靈活的碳基材料如塑料制成。制造商們可以生產(chǎn)出各種顏色和配置的卷筒，幾乎可以在任何表面上均勻地層疊。

然而，有機(jī)化合物的低導(dǎo)電性已經(jīng)減緩了研究的速度。Forrest認(rèn)為，在“自然”雜志上發(fā)表的這一新發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)改變這個(gè)游戲規(guī)則。

研究小組發(fā)現(xiàn)，一層薄的富勒烯分子–圓形碳分子，也叫“扣球”–可以幫助電子從光子撞擊的地方移動(dòng)到幾厘米處。這是一個(gè)引人注目的增長；在今天的有機(jī)細(xì)胞中，電子只能傳播幾百納米或更少。電子從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子，在太陽能電池或電子組件中構(gòu)成電流。在今天的無機(jī)太陽能電池和其它半導(dǎo)體中使用的類似硅的材料具有緊密束縛的原子網(wǎng)絡(luò)，使得電子容易穿過材料。但是有機(jī)材料在單個(gè)分子之間有更松散的鍵，這些分子可以捕獲電子。長期以來，這一直是有機(jī)物質(zhì)的致命弱點(diǎn)。但這一新發(fā)現(xiàn)表明，在特定的應(yīng)用中，可以調(diào)整它們的導(dǎo)電性能。

電子在有機(jī)半導(dǎo)體中更自由移動(dòng)的能力可能具有深遠(yuǎn)的意義。例如，今天的有機(jī)太陽能電池的表面必須覆蓋一個(gè)導(dǎo)電電極，在最初產(chǎn)生電子的地方收集電子。但是自由移動(dòng)的電子可以被收集到遠(yuǎn)離其起始點(diǎn)的地方。這可以讓制造商將導(dǎo)電電極縮小成一個(gè)看不見的柵格，從而為透明電池的使用鋪平道路，而透明電池可以用于窗戶和其他表面。

該論文的共同作者之一、電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究生Quinn Burlingame說：“這一發(fā)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上給了我們一個(gè)新的旋鈕，當(dāng)我們設(shè)計(jì)有機(jī)太陽能電池和其他有機(jī)半導(dǎo)體裝置時(shí)，遠(yuǎn)距離電子傳輸?shù)目赡苄栽谄骷Y(jié)構(gòu)中開辟了許多新的可能性。”

Burlingame說，最初發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象是偶然的，因?yàn)樵撔〗M正在試驗(yàn)有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)，希望提高效率。他們使用一種叫做真空熱蒸發(fā)的普通技術(shù)，將一層C60富勒烯–每個(gè)由60個(gè)碳原子組成–在有機(jī)電池的發(fā)電層上分層，在該層，太陽光的光子會(huì)將電子從它們的相關(guān)分子中釋放出來。在富勒烯的頂部，它們又加了一層以防止電子逃逸。

然后，他們發(fā)現(xiàn)了一些他們以前從未在有機(jī)電子中看到過的東西–即使是在電池的發(fā)電區(qū)域之外，電子也在不受束縛地掠過物質(zhì)。經(jīng)過幾個(gè)月的實(shí)驗(yàn)，他們確定富勒烯層形成了所謂的能量阱–一個(gè)低能區(qū)，防止帶負(fù)電荷的電子與發(fā)電層中留下的正電荷重新結(jié)合。

該論文的合著者、物理系的研究生研究員Caleb Cobourn說：“你可以想象一種能量–就像一個(gè)峽谷電子落入其中，不能再出來，因此，它們繼續(xù)在富勒烯層自由移動(dòng)，而不是像通常那樣在發(fā)電層重新組合。這就像一個(gè)巨大的天線，可以從設(shè)備的任何地方收集電子電荷。”

Forrest警告說，在像太陽能電池這樣的應(yīng)用中廣泛使用這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)只存在理論上的意義。但他對這一有機(jī)半導(dǎo)體的性能的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的更大意義感到興奮。

Forrest說：“我相信，無處不在的太陽能是為我們這個(gè)不斷變暖、日益擁擠的星球提供動(dòng)力的關(guān)鍵，即在建筑外墻和窗戶等日常物體上安裝太陽能電池。這樣的技術(shù)可以幫助我們以一種價(jià)格低廉、幾乎看不見的方式發(fā)電。”

原文來自MaterialsDoday原文題目為Fullerenes help electrons travel further in organic solar cells