近日，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)分子級的無序性能夠提高聚合物的性能。斯坦福大學(xué)的研究人員對此做出解釋。他們的研究成功能夠加速低成本聚合物太陽能電池在商業(yè)應(yīng)用上的快速發(fā)展。該研究成果發(fā)表在8月4日《自然材料》在線版。
Ｘ射線圖像揭示了兩個(gè)半導(dǎo)體塑料聚合物的微觀結(jié)構(gòu)。下圖是高度有序的聚合物樣本，
圖中幾個(gè)較大晶體排為一排。上圖是無序聚合物，很多小晶體幾乎無法識別。
快速移動(dòng)的電子
報(bào)告中，斯坦福大學(xué)研究小組主要研究一種有機(jī)材料，人們稱之為共軛或者半導(dǎo)體聚合物，即一種有聚合物性能的碳原子鏈，能夠吸收陽光并具有導(dǎo)電性。
早在40年前，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體聚合物，并一直認(rèn)為它是制作超薄太陽能電池、發(fā)光二級管和晶體管的理想材料。與屋頂太陽能電池的硅晶體不同，半導(dǎo)體聚合物重量更輕，可以使用噴墨打印機(jī)和其他低成本工藝在室溫下加工。
Salleo說：“不能商業(yè)化生產(chǎn)的原因是因?yàn)樗麄冃阅芎懿?。在太陽能電池中，電子需要快速通過材料，但是半導(dǎo)體聚合物的電子流動(dòng)性很不活躍。”
為了找出其中原因，Salleo與校友Rodrigo Noriega和Jonathan Rivnay一同分析過去二十幾年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。Salleo說：“在過去，很多研究人員設(shè)計(jì)出剛性更高的聚合物，旨在制作高組織的晶體。但是，電荷遷移率仍然很低。后來，幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室研制出無序性的聚合物，并且電荷遷移率很高。這些無序晶體比有序晶體的性能要好，一直是個(gè)迷。”
X-射線分析
為了從微觀層面觀察這些無序材料，斯坦福大學(xué)研究小組將樣品帶到SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行X射線分析。通過使用X射線，研究人員發(fā)現(xiàn)一個(gè)分子結(jié)構(gòu)，類似一個(gè)偏差的指紋。部分聚合物看上去很像雜亂的意大利面，也有部分聚合物形成了幾個(gè)分子長度的微小晶體。
Salleo說：“這些晶體很小，非常雜亂，你幾乎不能根據(jù)X射線推斷出它們的存在。但事實(shí)上，科學(xué)家們曾假設(shè)它們并不存在。”
通過分析流經(jīng)實(shí)驗(yàn)樣品的電流發(fā)出的光，斯坦福大學(xué)研究人員認(rèn)為這些數(shù)不清的微小晶體分散在材料上，并通過長的聚合物鏈相連接，就像項(xiàng)鏈上的珠子。Salleo說：“這種晶體體積微小，是提高太陽能電池整體性能的關(guān)鍵因素。顆粒微小使帶電電子能夠通過一個(gè)晶體并快速移動(dòng)到下一個(gè)晶體。隨后，長的聚合物鏈載著電子快速通過材料。這就很好解釋了為什么它們的電荷遷移率比體積較大、未連接的晶體要高。另外，大體積結(jié)晶聚合物的另一個(gè)缺點(diǎn)就是難以找到解決辦法，不能用噴墨打印機(jī)或者其它廉價(jià)的工藝生產(chǎn)。”
Salleo還補(bǔ)充道：“我們實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是：你無需研制剛性物質(zhì)來生成較大體積的晶體。你只需設(shè)計(jì)細(xì)小、無序的晶體，這些晶體緊緊團(tuán)在一起，通過聚合物鏈相連接。電子通過晶體就像汽車在高速路上駕駛，完全忽視其余無定形、導(dǎo)電性差的塑料材料。
Salleo說：“從某種程度上講，合成化學(xué)家走在了我們的前面，因?yàn)樗麄冄兄瞥蛇@些新型材料，但卻不知道它們的工作效果這么好?，F(xiàn)在他們知道了，能夠生研制出更好的產(chǎn)品。”（中國儲能網(wǎng)獨(dú)家編譯）
