由于在實驗中的一次意外發(fā)現(xiàn)，發(fā)展緩慢的有機太陽能電池產(chǎn)業(yè)終于迎來了轉(zhuǎn)機，其能量轉(zhuǎn)換效率取得了重大突破。這一突破來自于電子在富勒烯分子(俗稱“巴克球”)層中移動的過程。密歇根大學的科學家們在試驗有機太陽能電池架構(gòu)時發(fā)現(xiàn)了這一點。當時研究人員在有機電池的產(chǎn)電層上添加了兩層富勒烯分子，光子在產(chǎn)電層撞擊以驅(qū)動電子傳輸。

他們發(fā)現(xiàn)，電子在富勒烯層中移動更自由，傳得更遠，并且還產(chǎn)生了一個“能量井”(技術(shù)上稱為勢阱)，讓電子無法逃脫。當這些電子在富勒烯分子層中傳輸時，傳輸距離可達幾厘米(目前的有機電池中最多只能移動幾百納米)，因此能夠產(chǎn)生更大的電流。

為什么這一突破如此重要

眾所周知，有機電池的導電性很弱，因為有機材料的各個分子之間有很多松散的連接鍵。分子之間沒有高效率的導通管路，因此電子經(jīng)常被捕獲，最多只能移動幾百納米。對于有機太陽能電池來說，電子被捕獲是限制電子移動距離的主要障礙。如果電子可以在沒有阻擋的情況下自由移動，它們就能傳輸?shù)酶h。對于所有的太陽能電池來說都是如此，但有機電池讓電子的移動遇到了更大的挑戰(zhàn)。因為電子在被捕獲之前移動的距離不夠遠，所以無法進入電路。這種阻礙降低了電池的導電性，并且隨著自由流動的電子越來越少，能量轉(zhuǎn)換效率也隨之降低。因此，由聚合物等非金屬半導體組成的有機太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率最高僅為13.1%。這種效率水平根本無法與硅基的無機太陽能電池相媲美，后者的能量轉(zhuǎn)換效率為26.6%，目前已廣泛應(yīng)用于太陽能電池板。

不過，有機太陽能電池的一些優(yōu)勢特性讓其仍有進一步研究的價值。例如，除了采用更簡單的聚合物加工技術(shù)使其具有降低成本的潛力外，有機太陽能電池還更薄、更靈活、更透明。這些特性對于將陽光高效轉(zhuǎn)化為電能至關(guān)重要。此外，在建造凈零能耗建筑(NZEB)或改造現(xiàn)有結(jié)構(gòu)以提高能效時，公司可以將有機太陽能電池整合到結(jié)構(gòu)本身，比如屋頂和墻壁上。在這些地方，笨重且不夠靈活的硅基無機太陽能電池既不實用也不可行。另外這些有機太陽能電池還有其他優(yōu)勢，比如它們有多種顏色和配置，具有更好的美學效果。

導電性的突破

很明顯，我們需要找到一些方法來充分發(fā)揮有機太陽能電池的潛力，而導電性的突破就是關(guān)鍵的一點。據(jù)密歇根大學的一篇題為《Semiconductor Breakthrough May Be a Game-Changer for Organic Solar Cells》的文章記載，研究人員在有機太陽能電池的產(chǎn)電層上添加了富勒烯分子層，光子在產(chǎn)電層撞擊以驅(qū)動電子傳輸。他們使用一項被稱為“真空熱蒸發(fā)”的普通技術(shù)，對C60富勒烯進行分層，每一層都由60個碳原子組成。他們發(fā)現(xiàn)電子在富勒烯層中能夠自由移動，而不是被困在有機分子之間的松散鍵中。

有趣的是，富勒烯因其可變的雜化狀態(tài)、再雜化能力和彎曲的拓撲結(jié)構(gòu)而被認為是優(yōu)秀的受體分子。(值得注意的是，自從富勒烯在太陽能電池中的應(yīng)用被發(fā)現(xiàn)以來，出現(xiàn)了一種新的高效太陽能電池，現(xiàn)在被稱為非富勒烯受體(NFA)有機太陽能電池。它與富勒烯具有類似的電子接受特性，但顯然是非富勒烯分子。)富勒烯也是電子受限材料，它們包含勢(即量子)阱。一旦電子落入富勒烯分子的勢阱，就很難出來。利用嵌入富勒烯層的電子阻擋層，就可以防止任何電子離開并與空穴重新結(jié)合，形成額外的障礙。

電子能夠影響勢阱外區(qū)域的唯一方式是通過電子隧穿。如果將量子阱并排放置，也就是說，富勒烯分子可以在一層中彼此相鄰，那么它們就可以形成所謂的“超晶格”。如果量子阱之間的距離小于電子隧穿波函數(shù)的范圍，那么電子波長就可以重疊并在勢阱之間建立連接，從而使電子(和電流)流動。因此，通過在富勒烯層中捕獲電子，分子間非常接近的勢阱讓電子能夠暢通無阻地流動，而沒有被困住的風險。

同樣，由于電子可以自由移動，并且不能與產(chǎn)電層中的空穴重新結(jié)合，因此電子可以移動得更遠，達到幾厘米，而不僅僅是幾納米，從而產(chǎn)生更大的電流。因此，如上所述，現(xiàn)在可能有更大的電流，不是因為單個電子攜帶的能量更多，而是因為電路中流動著更多的載流子(即電荷)。最終，有機太陽能電池中具體的電流(和效率)增加情況取決于添加富勒烯之前與添加富勒烯之后相比，系統(tǒng)中流動的電子數(shù)量。

對行業(yè)的影響

密歇根大學的研究人員承認，這個發(fā)現(xiàn)只是一個開始，還要做更多的工作來改善有機太陽能電池的設(shè)計，特別是要研究還有哪些有機材料能成為優(yōu)秀的電子導體。密歇根大學的工程教授Stephen Forrest預(yù)計，開發(fā)一個主流的有機太陽能電池解決方案可能需要長達10年的時間。

不過，富勒烯的發(fā)現(xiàn)總算為有機材料用于制造高效、透明的太陽能電池鋪平了道路。例如，太陽能電池制造商可以將太陽能電池的導電電極縮小成不可見的網(wǎng)格，并結(jié)合有機太陽能電池的其他特性，將有機材料層壓在任何物體表面上。由于有機太陽能電池所用的聚合物加工成本較低，這些解決方案可以在各種應(yīng)用中實現(xiàn)合理的價格。不過也許這個發(fā)現(xiàn)所帶來的最大突破是，更多的發(fā)現(xiàn)會催生更多的進步。

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原文標題：有機太陽能電池導電性迎來新突破

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