有機太陽能電池的巨大突破

【概要】在價格愈發便宜，無處不在的太陽能電池發展中，研究人員找到了一種方法，使電子傳輸效率遠遠超過以前用于有機太陽能電池和其他有機半導體的材料。

【圖注】在Randall實驗室內進行的有機太陽能電池測試。Michigan?大學的研究人員已找到一種方法來驅使電子傳輸效率遠遠超過以前的有機太陽能電池和其他有機半導體材料。

“多年來，人們認為有機物導電性弱是不可避免的事實，但實驗表明情況并非如此，”Peter A. Franken教授和Paul G. Goebel教授在UM領導此項研究。與當今廣泛使用的無機太陽能電池不同，有機物可由便宜的柔性碳基材料如塑料所制成，制造商可使用各種顏色和配置將它們卷起來，幾乎可以無縫地層壓到任何表面上。然而，有機物極差的傳導性已逐步限制研究進展，Forrest?相信這個發現可以改變該領域的研究方向。

研究小組發現，富勒烯分子的薄層，即有趣的圓形碳Buckyballs分子可以使電子從它們被光子撞擊的地方移動數厘米。與如今電子只能行進幾百納米或更少的有機電池相比，這是一個戲劇性的增長。

電子從一個原子移動到另一個原子中，構成太陽能電池或電子元件中的電流。當今無機太陽能電池和其他半導體中使用的硅材料緊密結合了原子網絡，使得電子易于穿過材料。但有機材料的致命弱點在于，其單個分子之間有很多可以捕獲電子的松散的鍵。新的實驗發現表明，研究員將有能調整其導電性能及其具體應用。

在有機半導體中電子自由運動的能力對材料性質影響極大，如有機太陽能電池的表面必須覆蓋一層導電電極，在最初產生的位置上收集電子。但是自由移動的電子則可以在距離起點較遠處收集。這使制造商能夠將導電電極縮小到不可見的網格中，從而為窗戶和其他表面上使用的透明單元奠定基礎。

UM電子工程與計算機科學研究人員Quinn Burlingame說：“這一發現為我們提供了一個新的思路，可以在設計有機太陽能電池和其他有機半導體器件時發揮新的作用，遠程電子傳輸為器件架構開辟了許多新的可能性。”

Burlingame表示，這個現象的最初發現，是團隊嘗試提高有機太陽能電池結構效率時，所發生的一個意外。使用一種真空熱蒸發的常用技術，它們在有機電池發電層頂部的C60富勒烯薄膜（每個由60個碳原子組成）上分層，即陽光中的光子使電子從其相關聯的分子中脫離出來。在富勒烯上面，他們又放了一層以防止電子逸出。

他們發現了一種他們以前從未見過的有機物質，即電子在該材料中不受約束，其甚至在電池的發電區域之外。通過數月的實驗，他們確定富勒烯層形成了能量阱（一個低能量區域），可防止帶負電荷的電子與發電層留下的正電荷重新結合。

U-M物理系研究員，該研究的作者Caleb Cobourn說：“你可以想象一種結構，能量就像峽谷一樣，電子落入其中，不能退縮。所以他們繼續在富勒烯層中自由移動，而不是像在發電層中那樣重新組合，它就像一個巨大的天線，可以從設備的任何地方收集電子電荷。

Forrest告誡道，這種發現在太陽能電池等應用中僅僅是理論基礎，但這一發現對理解和應用有機半導體性質具有極大的影響。他說：“我相信，無處不在的太陽能是改善我們持續變暖和日益擁擠星球的關鍵，這意味著可將太陽能電池放在建筑物外墻和窗戶等日常用品上。這樣的技術有助于我們以低成本便捷的方式發電。”

原文鏈接：Semiconductor breakthrough may be game-changer for organic solar cells
本文由材料人編輯部李妹編輯，點我加入材料人編輯部。

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