塑料太陽(yáng)能電池性能新研究

最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)無(wú)序的分子水平實(shí)際上能夠提高聚合物的性能?，F(xiàn)在，斯坦福大學(xué)科研人員已對(duì)這一驚人的發(fā)現(xiàn)做出了解釋。這一發(fā)現(xiàn)，必將加速低成本商用塑料太陽(yáng)能電池的發(fā)展。

為了研制出能夠與傳統(tǒng)硅電池一較高下的高效軟塑料太陽(yáng)能電池，科學(xué)家們已經(jīng)投入了數(shù)十載光陰。目前，研究小組已經(jīng)在嘗試創(chuàng)造新型塑料材料，通過增強(qiáng)太陽(yáng)能電池中的電流而提高電池性能。一些研究小組重新將柔韌的塑料聚合物設(shè)計(jì)到有序的類硅晶中，但是電流并沒有因此而增強(qiáng)。

“人們?cè)?jīng)以為只要聚合物的結(jié)構(gòu)越像硅，他們的性能才會(huì)提高。”該研究聯(lián)合作者及斯坦福大學(xué)材料科學(xué)和工程副教授AlbertoSalleo表示，“但是，我們發(fā)現(xiàn)聚合物天然不能形成美觀、有序的晶體。他們只能形成小型無(wú)序的晶體，而這些剛好可以解決我們的技術(shù)難題。”

Salleo和同事建議科學(xué)家們不要試圖模擬硅的剛性結(jié)構(gòu)，而是學(xué)會(huì)了解塑料的無(wú)序本質(zhì)。

高速電子

在研究中，斯坦福大學(xué)小組將焦點(diǎn)放在一類名為共軛或半導(dǎo)體聚合物的有機(jī)材料，這種材料具有塑料的性能以及吸收光照和導(dǎo)電的能力。

半導(dǎo)體聚合物于40年前被發(fā)現(xiàn)，而且被長(zhǎng)期認(rèn)為是超薄太陽(yáng)能電池、發(fā)光二級(jí)管和晶體管的理想材料。與屋頂太陽(yáng)能板采用的硅晶體不同，半導(dǎo)體聚合物結(jié)構(gòu)輕巧并能在室溫下采用噴墨打印機(jī)和其它廉價(jià)技術(shù)進(jìn)行加工。然而，它并沒有被商業(yè)化的一個(gè)主要原因是性能低下。太陽(yáng)能電池中的電子需要在材料中快速移動(dòng)，而半導(dǎo)體聚合物的電子遷移率很低。

X射線分析

為了從微觀層面觀察無(wú)序材料，斯坦福大學(xué)研究小組在SLAC國(guó)家加速實(shí)驗(yàn)室對(duì)樣本進(jìn)行了X射線分析。分析顯示，半導(dǎo)體聚合物的分子結(jié)構(gòu)類似一個(gè)扭曲的指紋。一些聚合物看起來(lái)像不定型的意大利面，而其它則是僅有幾個(gè)分子長(zhǎng)的微小晶體。

通過分析電流經(jīng)過樣本時(shí)的發(fā)光情況，該小組得出結(jié)論，無(wú)數(shù)的小晶體分散在整個(gè)材料中并由長(zhǎng)聚合物鏈連接起來(lái)，就像項(xiàng)鏈上的珠子一樣。晶體的尺寸大小是提高整個(gè)材料性能的關(guān)鍵。

尺寸小的晶體能夠使帶電的電子快速移動(dòng)到下一個(gè)晶體，這樣長(zhǎng)聚合物鏈就可以通過材料快速攜帶電子。這就解釋了為什么它們比尺寸大不連接的晶體電荷遷移性要高。

大結(jié)晶聚合物的另一個(gè)缺點(diǎn)是，它的不可溶解性導(dǎo)致其不能通過噴墨打印機(jī)或其它廉價(jià)加工技術(shù)生產(chǎn)。

因此，他們最終得出結(jié)論，要提高電池性能無(wú)需形成大晶體的鋼性材料，而是需要設(shè)計(jì)一些小尺寸無(wú)序的由聚合物鏈緊密連接起來(lái)晶體材料。