密歇根大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以推動(dòng)廉價(jià)，無處不在的太陽能發(fā)電接近現(xiàn)實(shí)，這種方法可以讓電子比以前認(rèn)為可能用于有機(jī)太陽能電池和其他有機(jī)半導(dǎo)體的材料更遠(yuǎn)。

“多年來，人們把有機(jī)物的導(dǎo)電性差作為一個(gè)不可避免的事實(shí)，這表明情況并非如此，”Peter A. Franken杰出大學(xué)工程學(xué)教授和Paul G. Goebel工程學(xué)教授Stephen Forrest說。在密歇根大學(xué)，他領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。

與目前廣泛使用的無機(jī)太陽能電池不同，有機(jī)物可以由廉價(jià)的柔性碳基材料制成，如塑料。制造商可以生產(chǎn)各種顏色和配置的卷材，可以不顯眼地層壓到幾乎任何表面。

然而，有機(jī)產(chǎn)品眾所周知的導(dǎo)電性差，已經(jīng)放緩了研究。福雷斯特認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)改變游戲。該研究結(jié)果在公布的1月17日的一項(xiàng)研究詳細(xì)的性質(zhì)。

研究小組表明，一層薄薄的富勒烯分子 - 一種奇怪的圓形碳分子，也稱為巴基球 - 可以使電子從被光子撞擊的位置移動(dòng)幾厘米。這是一個(gè)戲劇性的增長(zhǎng); 在今天的有機(jī)電池中，電子只能行進(jìn)幾百納米或更少。

從一個(gè)原子移動(dòng)到另一個(gè)原子的電子構(gòu)成太陽能電池或電子元件中的電流。在當(dāng)今的無機(jī)太陽能電池和其他半導(dǎo)體中使用的像硅這樣的材料具有緊密結(jié)合的原子網(wǎng)絡(luò)，使電子容易穿過材料。

但是有機(jī)材料在各個(gè)分子之間具有更松散的鍵，這可以捕獲電子。這一直是阿基里斯的有機(jī)物之踵，但新發(fā)現(xiàn)表明，有可能針對(duì)特定應(yīng)用調(diào)整其導(dǎo)電性能。

使電子在有機(jī)半導(dǎo)體中更自由地移動(dòng)的能力可能具有深遠(yuǎn)的影響。例如，今天的有機(jī)太陽能電池的表面必須覆蓋有導(dǎo)電電極，該電極在它們最初產(chǎn)生的點(diǎn)處收集電子。但是，自由移動(dòng)的電子可以遠(yuǎn)離它們的起點(diǎn)收集。這可以使制造商將導(dǎo)電電極縮小成不可見的網(wǎng)格，為可以在窗戶和其他表面上使用的透明電池鋪平道路。

“當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)有機(jī)太陽能電池和其他有機(jī)半導(dǎo)體器件時(shí)，這一發(fā)現(xiàn)基本上為我們提供了一個(gè)新的旋鈕，”UM電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究員，該研究的作者Quinn Burlingame說。“遠(yuǎn)程電子傳輸?shù)目赡苄詾樵O(shè)備架構(gòu)開辟了許多新的可能性。”

Burlingame表示，由于該團(tuán)隊(duì)正在試驗(yàn)有機(jī)太陽能電池架構(gòu)以期提高效率，因此最初發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象是一件意外事故。使用一種稱為真空熱蒸發(fā)的常用技術(shù)，它們?cè)谟袡C(jī)電池的發(fā)電層頂部層疊成C60富勒烯薄膜 - 每個(gè)薄膜由60個(gè)碳原子組成 - 其中來自太陽光的光子將電子從其相關(guān)物中分離出來分子。在富勒烯之上，他們放置另一層以防止電子逃逸。

他們發(fā)現(xiàn)了一種他們以前從未見過的有機(jī)物 - 電子在材料中不受限制地滑行，甚至在電池的發(fā)電區(qū)域之外。通過幾個(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)低能量區(qū)域，可防止帶負(fù)電的電子與發(fā)電層中留下的正電荷重新組合。

“你可以想象一種能量就像一種峽谷 - 電子落入其中并且不能再退出，”大學(xué)物理系研究員兼該研究的作者Caleb Cobourn說。“因此，他們繼續(xù)在富勒烯層中自由移動(dòng)，而不是像通常那樣在發(fā)電層重新組合。它就像一個(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，在太陽能電池等應(yīng)用中廣泛使用這一發(fā)現(xiàn)在這一點(diǎn)上是理論上的。但是，他對(duì)這一發(fā)現(xiàn)對(duì)理解和利用有機(jī)半導(dǎo)體特性的更大影響感到興奮。

“我相信無處不在的太陽能是為我們不斷變暖和日益擁擠的星球提供動(dòng)力的關(guān)鍵，這意味著將太陽能電池放在日常物品上，如建筑外墻和窗戶，”福雷斯特說。“像這樣的技術(shù)可以幫助我們以廉價(jià)且?guī)缀蹩床灰姷姆绞缴a(chǎn)電力。”