半导体的突破可能是有机太阳能电池的改变者

密歇根大学的研究人员发现了一种方法，可以推动廉价，无处不在的太阳能发电接近现实，这种方法可以让电子比以前认为可能用于有机太阳能电池和其他有机半导体的材料更远。

“多年来，人们把有机物的导电性差作为一个不可避免的事实，这表明情况并非如此，”Peter A. Franken杰出大学工程学教授和Paul G. Goebel工程学教授Stephen Forrest说。在密歇根大学，他领导了这项研究。

与目前广泛使用的无机太阳能电池不同，有机物可以由廉价的柔性碳基材料制成，如塑料。制造商可以生产各种颜色和配置的卷材，可以不显眼地层压到几乎任何表面。

然而，有机产品众所周知的导电性差，已经放缓了研究。福雷斯特认为这一发现可能会改变游戏。该研究结果在公布的1月17日的一项研究详细的性质。

研究小组表明，一层薄薄的富勒烯分子 - 一种奇怪的圆形碳分子，也称为巴基球 - 可以使电子从被光子撞击的位置移动几厘米。这是一个戏剧性的增长; 在今天的有机电池中，电子只能行进几百纳米或更少。

从一个原子移动到另一个原子的电子构成太阳能电池或电子元件中的电流。在当今的无机太阳能电池和其他半导体中使用的像硅这样的材料具有紧密结合的原子网络，使电子容易穿过材料。

但是有机材料在各个分子之间具有更松散的键，这可以捕获电子。这一直是阿基里斯的有机物之踵，但新发现表明，有可能针对特定应用调整其导电性能。

使电子在有机半导体中更自由地移动的能力可能具有深远的影响。例如，今天的有机太阳能电池的表面必须覆盖有导电电极，该电极在它们最初产生的点处收集电子。但是，自由移动的电子可以远离它们的起点收集。这可以使制造商将导电电极缩小成不可见的网格，为可以在窗户和其他表面上使用的透明电池铺平道路。

“当我们设计有机太阳能电池和其他有机半导体器件时，这一发现基本上为我们提供了一个新的旋钮，”UM电气工程和计算机科学研究员，该研究的作者Quinn Burlingame说。“远程电子传输的可能性为设备架构开辟了许多新的可能性。”

Burlingame表示，由于该团队正在试验有机太阳能电池架构以期提高效率，因此最初发现该现象是一件意外事故。使用一种称为真空热蒸发的常用技术，它们在有机电池的发电层顶部层叠成C60富勒烯薄膜 - 每个薄膜由60个碳原子组成 - 其中来自太阳光的光子将电子从其相关物中分离出来分子。在富勒烯之上，他们放置另一层以防止电子逃逸。

他们发现了一种他们以前从未见过的有机物 - 电子在材料中不受限制地滑行，甚至在电池的发电区域之外。通过几个月的实验，他们确定富勒烯层形成了所谓的能量阱 - 一个低能量区域，可防止带负电的电子与发电层中留下的正电荷重新组合。

“你可以想象一种能量就像一种峡谷 - 电子落入其中并且不能再退出，”大学物理系研究员兼该研究的作者Caleb Cobourn说。“因此，他们继续在富勒烯层中自由移动，而不是像通常那样在发电层重新组合。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警告说，在太阳能电池等应用中广泛使用这一发现在这一点上是理论上的。但是，他对这一发现对理解和利用有机半导体特性的更大影响感到兴奋。

“我相信无处不在的太阳能是为我们不断变暖和日益拥挤的星球提供动力的关键，这意味着将太阳能电池放在日常物品上，如建筑外墙和窗户，”福雷斯特说。“像这样的技术可以帮助我们以廉价且几乎看不见的方式生产电力。”