无序分子可提高塑料太阳能电池性能

2013-08-12 01:51

　　导读：最近，科学家发现无序的分子水平实际上能够提高聚合物的性能。现在，斯坦福大学科研人员已对这一惊人的发现做出了解释。这一发现，必将加速低成本商用塑料太阳能电池的发展。

　　为了研制出能够与传统硅电池一较高下的高效软塑料太阳能电池，科学家们已经投入了数十载光阴。目前，研究小组已经在尝试创造新型塑料材料，通过增强太阳能电池中的电流而提高电池性能。一些研究小组重新将柔韧的塑料聚合物设计到有序的类硅晶中，但是电流并没有因此而增强。

　　“人们曾经以为只要聚合物的结构越像硅，他们的性能才会提高。”该研究联合作者及斯坦福大学材料科学和工程副教授AlbertoSalleo表示，“但是，我们发现聚合物天然不能形成美观、有序的晶体。他们只能形成小型无序的晶体，而这些刚好可以解决我们的技术难题。”

　　Salleo和同事建议科学家们不要试图模拟硅的刚性结构，而是学会了解塑料的无序本质。

　　高速电子

　　在研究中，斯坦福大学小组将焦点放在一类名为共轭或半导体聚合物的有机材料，这种材料具有塑料的性能以及吸收光照和导电的能力。

　　半导体聚合物于40年前被发现，而且被长期认为是超薄太阳能电池、发光二级管和晶体管的理想材料。与屋顶太阳能板采用的硅晶体不同，半导体聚合物结构轻巧并能在室温下采用喷墨打印机和其它廉价技术进行加工。然而，它并没有被商业化的一个主要原因是性能低下。太阳能电池中的电子需要在材料中快速移动，而半导体聚合物的电子迁移率很低。

　　X射线分析

　　为了从微观层面观察无序材料，斯坦福大学研究小组在SLAC国家加速实验室对样本进行了X射线分析。分析显示，半导体聚合物的分子结构类似一个扭曲的指纹。一些聚合物看起来像不定型的意大利面，而其它则是仅有几个分子长的微小晶体。

　　通过分析电流经过样本时的发光情况，该小组得出结论，无数的小晶体分散在整个材料中并由长聚合物链连接起来，就像项链上的珠子一样。晶体的尺寸大小是提高整个材料性能的关键。

　　尺寸小的晶体能够使带电的电子快速移动到下一个晶体，这样长聚合物链就可以通过材料快速携带电子。这就解释了为什么它们比尺寸大不连接的晶体电荷迁移性要高。

　　大结晶聚合物的另一个缺点是，它的不可溶解性导致其不能通过喷墨打印机或其它廉价加工技术生产。

　　因此，他们最终得出结论，要提高电池性能无需形成大晶体的钢性材料，而是需要设计一些小尺寸无序的由聚合物链紧密连接起来晶体材料。（Shirley译）