近日，科學家發(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半導體塑料聚合物的微觀結構。下圖是高度有序的聚合物樣本，
圖中幾個較大晶體排為一排。上圖是無序聚合物，很多小晶體幾乎無法識別。
快速移動的電子
報告中，斯坦福大學研究小組主要研究一種有機材料，人們稱之為共軛或者半導體聚合物，即一種有聚合物性能的碳原子鏈，能夠吸收陽光并具有導電性。
早在40年前，科學家們就發(fā)現(xiàn)了半導體聚合物，并一直認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，半導體聚合物重量更輕，可以使用噴墨打印機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)的原因是因為他們性能很差。在太陽能電池中，電子需要快速通過材料，但是半導體聚合物的電子流動性很不活躍。”
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驗數(shù)據(jù)。Salleo說：“在過去，很多研究人員設計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，幾個實驗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，斯坦福大學研究小組將樣品帶到SLAC國家加速器實驗室進行X射線分析。通過使用X射線，研究人員發(fā)現(xiàn)一個分子結構，類似一個偏差的指紋。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。但事實上，科學家們曾假設它們并不存在。”
通過分析流經(jīng)實驗樣品的電流發(fā)出的光，斯坦福大學研究人員認為這些數(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鍵因素。顆粒微小使帶電電子能夠通過一個晶體并快速移動到下一個晶體。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，大體積結晶聚合物的另一個缺點就是難以找到解決辦法，不能用噴墨打印機或者其它廉價的工藝生產(chǎn)。”
Salleo還補充道：“我們實驗的結論是：你無需研制剛性物質(zhì)來生成較大體積的晶體。你只需設計細小、無序的晶體，這些晶體緊緊團在一起，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、導電性差的塑料材料。
Salleo說：“從某種程度上講，合成化學家走在了我們的前面，因為他們研制成這些新型材料，但卻不知道它們的工作效果這么好。現(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)獨家編譯）
