研究人员发现随机紊乱最适合聚合物太阳能电池结构

研究人员说，刚性组织对于由硅晶体制成的太阳能电池效果很好，但是对于由塑料聚合物制成的太阳能电池来说，无序性更好。

斯坦福大学材料科学与工程学副教授阿尔贝托·萨利奥说：“人们以前认为，如果使聚合物更像硅，它们的性能会更好。”“但是我们发现聚合物不能自然地形成漂亮的，有序的晶体。它们形成小的，无序的，那很好。”

科学家们花费了数十年的时间来尝试制造足够高效的柔性塑料太阳能电池，以与传统的硅制电池竞争。为了提高性能，研究小组已尝试创建新的塑料材料，以增强通过太阳能电池的电流。

半导体聚合物的X射线显示出类似于指纹错误的分子结构。有些聚合物看上去像无定形的意大利面条，而另一些聚合物则形成只有几个分子长的微小晶体。（信用：剑桥大学/核心材料/ Flickr）

几个小组希望通过将柔软的塑料重新设计成有序的硅状晶体来取得良好的结果，但是电流却没有改善。

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Salleo和他的同事们没有试图模仿硅的刚性结构，而是建议科学家学会应对塑料固有的无序特性。

在线发表在《自然材料》上的新发现可以加快低成本，可商购获得的塑料太阳能电池的开发。

为什么混乱更快？

在这项研究中，研究小组专注于称为共轭或半导电聚合物的一类有机材料，即具有塑料特性以及吸收阳光和导电能力的碳原子链。

半导体聚合物发现于40年前，长期以来一直被认为是超薄太阳能电池，发光二极管和晶体管的理想选择。与屋顶太阳能电池板中使用的硅晶体不同，半导体聚合物重量轻，可以在室温下用喷墨打印机和其他廉价技术进行处理。那么，为什么今天的阿伦特建筑物被塑料太阳能电池覆盖？

Salleo说：“它们之所以没有被商业化，是因为性能不佳。”“在太阳能电池中，电子需要快速穿过材料，但是半导体聚合物的电子迁移率很低。”

为了找出原因，萨利奥与当时是斯坦福大学研究生的罗德里戈·诺列加（Rodrigo Noriega）和乔纳森·里夫奈（Jonathan Rivnay）一起分析了超过二十年的实验数据。

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Salleo说：“多年来，许多人设计了更硬的聚合物，目的是制造高度组织化的晶体，但电荷迁移率仍然相对较差。”“然后，几个实验室制造了看起来无序但具有很高电荷迁移率的聚合物。为什么这些新材料比结构化的晶体更好地工作，这令人困惑。”

越小越好

为了从微观角度观察无序的材料，研究小组将样品带到了SLAC国家加速器实验室进行X射线分析。X射线显示类似于指纹错误的分子结构。有些聚合物看上去像无定形的意大利面条，而另一些聚合物则形成只有几个分子长的微小晶体。

Salleo说：“晶体是如此之小且无序，您几乎无法从X射线推断它们的存在。”“事实上，科学家认为他们不在那儿。”

通过分析流过样品的电流产生的光发射，研究小组确定了许多小晶体散布在整个材料中，并通过长聚合物链连接在一起，就像项链上的珠子一样。Salleo说，晶体的小尺寸是提高整体性能的关键因素。

他说：“体积小可使带电的电子穿过一个晶体，然后迅速移动到下一个晶体。”“然后，长的聚合物链将电子迅速携带通过材料。这就解释了为什么它们比大的未连接晶体具有更高的电荷迁移率。”

他补充说，大结晶聚合物的另一个缺点是它们倾向于不溶，因此不能通过喷墨印刷或其他廉价的加工技术生产。

理所当然地认为混乱

Salleo说：“我们的结论是，您不需要制作太硬的东西就可以形成大晶体。”“您需要设计一些小的，无序的晶体，它们紧密排列在一起并通过聚合物链连接。电子将像在高速公路上一样穿过晶体移动，而忽略了其余的塑料材料，这些塑料材料是非晶态且导电性很差。

他说：“从某种意义上讲，合成化学家领先于我们，因为他们制造了这些新材料，但不知道为什么它们做得这么好。”“现在，他们知道了，他们可以出去设计更好的产品了。”

Salleo提供了最后一条建议。他说：“尝试设计一种可以尽可能多地生活的材料。”“把这种疾病视为理所当然。就个人而言，我真的很喜欢混乱。看看我的办公室。”

该研究的其他作者来自斯坦福大学，苏黎世联邦理工学院，伦敦帝国理工学院和SLAC斯坦福同步加速器辐射光源。

阿卜杜拉国王科技大学授予斯坦福大学先进分子光伏中心奖，欧洲研究理事会也支持该研究。

通过。马克·施瓦兹