富勒烯幫助電子在有機太陽能電池中進一步移動

這是由密歇根大學的研究人員開發的含有富勒烯分子薄層的新型有機太陽能電池。照片來源：密歇根大學的Robert Coelius。

密歇根大學的研究人員發現，在推動廉價、無處不在的太陽能更接近現實的發展中，科學家們發現了一種使電子能夠在有機太陽能電池和其他有機半導體等經常使用的材料中比以前傳播的更遠的方法。

負責這項研究的工程學教授tephen Forrest說：「多年來，人們一直把有機物質的低導電性視為一個不可避免的事實，現實情況並不總是如此」。

與當今廣泛使用的無機太陽能電池不同，有機物質可以由廉價、靈活的碳基材料如塑料製成。製造商們可以生產出各種顏色和配置的捲筒，幾乎可以在任何錶面上均勻地層疊。

然而，有機化合物的低導電性已經減緩了研究的速度。Forrest認為，在「自然」雜誌上發表的這一新發現，可能會改變這個遊戲規則。

研究小組發現，一層薄的富勒烯分子--圓形碳分子，也叫「扣球」--可以幫助電子從光子撞擊的地方移動到幾厘米處。這是一個引人注目的增長；在今天的有機細胞中，電子只能傳播幾百納米或更少。電子從一個原子轉移到另一個原子，在太陽能電池或電子組件中構成電流。在今天的無機太陽能電池和其它半導體中使用的類似硅的材料具有緊密束縛的原子網路，使得電子容易穿過材料。但是有機材料在單個分子之間有更鬆散的鍵，這些分子可以捕獲電子。長期以來，這一直是有機物質的致命弱點。但這一新發現表明，在特定的應用中，可以調整它們的導電性能。

電子在有機半導體中更自由移動的能力可能具有深遠的意義。例如，今天的有機太陽能電池的表面必須覆蓋一個導電電極，在最初產生電子的地方收集電子。但是自由移動的電子可以被收集到遠離其起始點的地方。這可以讓製造商將導電電極縮小成一個看不見的柵格，從而為透明電池的使用鋪平道路，而透明電池可以用於窗戶和其他表面。

該論文的共同作者之一、電氣工程和計算機科學研究生Quinn Burlingame說：「這一發現實質上給了我們一個新的旋鈕，當我們設計有機太陽能電池和其他有機半導體裝置時，遠距離電子傳輸的可能性在器件結構中開闢了許多新的可能性。」

Burlingame說，最初發現這一現象是偶然的，因為該小組正在試驗有機太陽能電池結構，希望提高效率。他們使用一種叫做真空熱蒸發的普通技術，將一層C60富勒烯--每個由60個碳原子組成--在有機電池的發電層上分層，在該層，太陽光的光子會將電子從它們的相關分子中釋放出來。在富勒烯的頂部，它們又加了一層以防止電子逃逸。

然後，他們發現了一些他們以前從未在有機電子中看到過的東西--即使是在電池的發電區域之外，電子也在不受束縛地掠過物質。經過幾個月的實驗，他們確定富勒烯層形成了所謂的能量阱--一個低能區，防止帶負電荷的電子與發電層中留下的正電荷重新結合。

該論文的合著者、物理系的研究生研究員Caleb Cobourn說：「你可以想像一種能量--就像一個峽谷電子落入其中，不能再出來，因此，它們繼續在富勒烯層自由移動，而不是像通常那樣在發電層重新組合。這就像一個巨大的天線，可以從設備的任何地方收集電子電荷。」

Forrest警告說，在像太陽能電池這樣的應用中廣泛使用這項發現只存在理論上的意義。但他對這一有機半導體的性能的發現和開發的更大意義感到興奮。

Forrest說：「我相信，無處不在的太陽能是為我們這個不斷變暖、日益擁擠的星球提供動力的關鍵，即在建築外牆和窗戶等日常物體上安裝太陽能電池。這樣的技術可以幫助我們以一種價格低廉、幾乎看不見的方式發電。」

原文來自MaterialsDoday原文題目為Fullerenes help electrons travel further in organic solar cells，由材料科技在線匯總整理。

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