半导体：紊乱可以提高塑料太阳能电池的性能？
这些X射线图像揭示了两种半导体塑料聚合物的微观结构。底部图像，连续堆叠的几个大晶体，来自高度有序的聚合物样品。顶部图像显示无序聚合物，其中有许多微小的晶体，几乎看不清楚。图片来源：Jonathan Rivnay（斯坦福大学）和Michael Toney（SSRL / SLAC）。
几十年来，科学家们一直试图建造灵活的塑料太阳能电池，其效率足以与传统的硅制电池竞争。为了提高性能，研究小组已经尝试制造新的塑料材料，以增强通过太阳能电池的电流。一些团体希望通过将塑料的柔韧聚合物重新设计成有序的硅状晶体来取得良好的效果，但电流却没有改善。
最近，科学家发现分子水平的紊乱实际上改善了聚合物的性能。现在，斯坦福大学的研究人员对这一令人惊讶的结果有了解释。他们的研究结果发表在8月4日的“ 自然材料 ”杂志网络版上，可以加速低成本，商用塑料太阳能电池的开发。
研究报告的共同作者，斯坦福大学材料科学与工程副教授Alberto Salleo说：“人们过去认为，如果你让聚合物更像硅，它们的表现会更好。” “但我们发现聚合物不会自然地形成漂亮，有序的晶体。它们形成小的，无序的，并且完全没问题。”
Salleo和他的同事们并没有试图模仿硅的刚性结构，而是建议科学家们学会应对塑料固有的无序性。
快速的电子
在这项研究中，斯坦福大学的研究小组专注于一类被称为共轭或半导体聚合物的有机材料- 具有塑料特性的碳原子链，以及吸收阳光和导电的能力。
近40年前发现，半导体聚合物长期以来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，可以在室温下使用喷墨打印机和其他廉价技术进行处理。那么为什么今天的建筑物不是用塑料太阳能电池覆盖？
“他们尚未商业化的一个原因是性能不佳，”Salleo说。“在太阳能电池中，电子需要快速穿过材料，但半导体聚合物的电子迁移率很低。”
为了找出原因，Salleo加入了当时斯坦福大学研究生Rodrigo Noriega和Jonathan Rivnay，分析了二十多年的实验数据。“多年来，许多人设计了更硬的聚合物，目的是制造高度有组织的晶体，但电荷移动性相对较差，”Salleo说。“然后几个实验室制造的聚合物看起来混乱，而且具有很高的电荷迁移率。为什么这些新材料比结构更结晶的材料更好地工作，这是一个难题。”
X射线分析
为了观察微观层面的无序材料，斯坦福大学团队将样品送到SLAC国家加速器实验室进行X射线分析。X射线显示出类似于指纹的分子结构。一些聚合物看起来像意大利面条的无定形链，而其他聚合物形成只有几分子长的微小晶体。
“晶体太小而且无序，你几乎无法用X射线推断它们的存在，”Salleo说。“事实上，科学家们认为他们不在那里。”
通过分析流经样品的电流的光发射，斯坦福大学的研究小组确定，许多小晶体散布在整个材料中，并通过长聚合物链连接，如项链中的珠子。Salleo说，小尺寸的晶体是提高整体性能的关键因素。
他说：“小得可以使带电的电子穿过一个晶体并快速移动到下一个晶体。” “然后，长聚合物链将电子快速传输通过材料。这就解释了为什么它们比较大的，未连接的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往往不溶，因此不能通过喷墨印刷或其他廉价的加工技术生产。
“我们的结论是，你不需要做出那么僵硬的东西，它会形成大的水晶，”Salleo说。“你需要设计一些小而无序的晶体，这些晶体紧密地堆积在一起并通过聚合物链连接起来。电子将像高速公路一样穿过晶体，忽略其余的塑料材料，这是无定形的，导电性差。
“从某种意义上说，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能很好地工作，”他说。“现在他们知道，他们可以出去设计更好的。”
Salleo提出了最后一条建议。“试着设计一种能够尽可能多地紊乱的材料，”他说。“把这种疾病视为理所当然。就个人而言，我真的很喜欢混乱。只要看看我的办公室。”
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