近日，美國(guó)密歇根州立大學(xué)研究人員開發(fā)出一種新方法，使得電子在太陽(yáng)能電池和其他有機(jī)半導(dǎo)體常用的材料中傳輸?shù)酶h(yuǎn)。這項(xiàng)突破性科研進(jìn)展有望使得低成本、無處不在的太陽(yáng)能電池變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》雜志中。此外，這項(xiàng)研究標(biāo)題為“在光敏有機(jī)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中厘米級(jí)的電子擴(kuò)散” （Centimeter-Scale Electron Diffusion in Photoactive Organic Heterostructures），得到了美國(guó)能源部 SunShot 項(xiàng)目和美國(guó)空軍科研辦公室的支持。
密歇根州立大學(xué)工程系教授 Stephen Forrest 表示：“多年以來，人們都將有機(jī)物導(dǎo)電性差當(dāng)成一項(xiàng)不可避免的事實(shí)。然而，這項(xiàng)研究表明情況并不總是如此?！盕orrest 認(rèn)為這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將改變游戲規(guī)則。
這里不得不提及單質(zhì)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(jié)構(gòu)存在的一類物質(zhì)。很像足球的球型富勒烯也叫做足球烯，或音譯為巴基球。
團(tuán)隊(duì)證實(shí)：一薄層富勒烯分子上，如果有一個(gè)點(diǎn)被光子撞擊得松散，電子則可以從那點(diǎn)起傳輸可達(dá)幾厘米。而在當(dāng)今的有機(jī)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(gè)原子移動(dòng)到另外一個(gè)原子，形成了太陽(yáng)能電池或者電子元器件中的電流。如今的無機(jī)太陽(yáng)能電池或者其他半導(dǎo)體中使用的材料，例如硅，緊緊地束縛住了原子網(wǎng)絡(luò)，讓電子更容易地穿過材料。
但是，有機(jī)材料的單個(gè)分子之間的連接更加松散，因此會(huì)囚禁住電子。一直以來，這就是有機(jī)電子器件的致命要害。但是新發(fā)現(xiàn)顯示，對(duì)于特殊應(yīng)用來說，可以稍稍改變有機(jī)電子器件的導(dǎo)電性。
讓電子在有機(jī)半導(dǎo)體中更加自由移動(dòng)，其更加深遠(yuǎn)的意義。例如，如今的有機(jī)太陽(yáng)能電池的表面必需覆蓋導(dǎo)電電極，導(dǎo)電電極會(huì)將電子聚集到它們開始產(chǎn)生的地方。但是，自由移動(dòng)的電子卻可以遠(yuǎn)離起始點(diǎn)進(jìn)行聚集。這將可以使得制造商們能將導(dǎo)電電極縮小成不可見的網(wǎng)格，從而為用于窗戶和其他表面的透明電池鋪平了道路。
密歇根州立大學(xué)電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系研究生、論文作者之一Burlingame 表示，最初發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象來源于一次意外，團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行有機(jī)太陽(yáng)能電池架構(gòu)實(shí)驗(yàn)，希望提升其效率。他們使用一項(xiàng)稱為“真空熱蒸發(fā)”的普通技術(shù)，對(duì)于C60富勒烯進(jìn)行分層，每一層都由60個(gè)碳原子組成，位于有機(jī)電池的產(chǎn)電層上方。在產(chǎn)電層中，太陽(yáng)光中的光子撞擊電子，使得電子與它們相關(guān)聯(lián)的分子之間的連接變得松散。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(fā)現(xiàn)之前在有機(jī)物中從未發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象：電子不受約束地通過材料傳輸，甚至到達(dá)電池產(chǎn)電層外部。經(jīng)過幾個(gè)月實(shí)驗(yàn)，他們決定采用富勒烯形成所謂“勢(shì)阱”，這種低能量區(qū)域防止帶負(fù)電荷的電子與產(chǎn)電層中剩下的正電荷重新結(jié)合。
這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將帶來新的契機(jī)，有利于設(shè)計(jì)有機(jī)太陽(yáng)能電池和其他有機(jī)半導(dǎo)體器件。長(zhǎng)距離電子傳輸為器件架構(gòu)帶來了許多新的可能性。此外，這項(xiàng)探索在理解和開發(fā)有機(jī)半導(dǎo)體特性方面的深遠(yuǎn)意義。
無處不在的太陽(yáng)能對(duì)于我們這個(gè)持續(xù)變暖和不斷擁擠的星球來說很關(guān)鍵。并且，這意味著太陽(yáng)能電池可以出現(xiàn)在日常物體例如建筑立面和窗戶上。這樣的技術(shù)將幫助我們以更加廉價(jià)和幾乎不可見的方式生產(chǎn)電力。
