导读
近日，美国密歇根州立大学研究人员开发出一种新方法，使得电子在太阳能电池和其他有机半导体常用的材料中传输得更远。这项突破性科研进展有望使得低成本、无处不在的太阳能电池变为现实。
背景
太阳能，作为一种典型的新能源，具有清洁、可再生、无污染、易获取等优势。或许，不久的将来，太阳能的利用将变得更加有效且便捷。太阳能电池在我们周围将变得无处不在，例如：窗户和墙壁、汽车、智能手机、平板电脑等物体上都会看到太阳能电池。
（图片来源：维基百科）
不同于如今广泛使用的无机太阳能电池，有机物能够由廉价的柔性碳基材料例如塑料制成。制造商们以不同的颜色和配置，成卷地大批量生产，再小心翼翼地将它们层压到几乎任何物体表面。
有机成分组成的光伏太阳能电池，相对于现有的无机硅太阳能电池，优势更加明显。例如，它们更廉价、更易制造、轻量、柔软、透明。此外，许多有机材料都可以吸收太阳光中的紫外线和红外线部分，但是可以传播我们肉眼能检测到的可见光部分。所以，有机太阳能电池可以安装在我们周围物体的表面吸收能量，并且并不是容易被人眼看到。
（图片来源：Richard Lunt / 密西根州立大学）
然而，有机物导电性差已经“臭名昭著”，它减缓了有机太阳能电池的研究进展。
创新
近日，美国密歇根州立大学研究人员开发出一种新方法，使得电子在太阳能电池和其他有机半导体常用的材料中传输得更远。这项突破性科研进展有望使得低成本、无处不在的太阳能电池变为现实。
（图片来源：Robert Coelius，密歇根州立大学工程系）
一篇发表于1月17日的《自然》杂志的论文详细描述了这一研究成果。这项研究标题为“在光敏有机异质结构中厘米级的电子扩散” （Centimeter-Scale Electron Diffusion in Photoactive Organic Heterostructures），得到了美国能源部 SunShot 项目和美国空军科研办公室的支持。
技术
密歇根州立大学工程系教授 Stephen Forrest 表示：“多年以来，人们都将有机物导电性差当成一项不可避免的事实。然而，这项研究表明情况并不总是如此。”Forrest 认为这项发现将改变游戏规则。
这里不得不提及单质碳的第三种同素异形体：富勒烯（Fullerene)。富勒烯是指任何由碳一种元素组成，以球状，椭圆状，或管状结构存在的一类物质。很像足球的球型富勒烯也叫做足球烯，或音译为巴基球。
（图片来源：维基百科）
团队证实：一薄层富勒烯分子上，如果有一个点被光子撞击得松散，电子则可以从那点起传输可达几厘米。而在当今的有机电池中，电子只能传输几百纳米或者更近的距离。因此，它代表着一种显著的改善。
电子从一个原子移动到另外一个原子，形成了太阳能电池或者电子元器件中的电流。如今的无机太阳能电池或者其他半导体中使用的材料，例如硅，紧紧地束缚住了原子网络，让电子更容易地穿过材料。
但是，有机材料的单个分子之间的连接更加松散，因此会囚禁住电子。一直以来，这就是有机电子器件的致命要害。但是新发现显示，对于特殊应用来说，可以稍稍改变有机电子器件的导电性。
让电子在有机半导体中更加自由移动，其更加深远的意义。例如，如今的有机太阳能电池的表面必需覆盖导电电极，导电电极会将电子聚集到它们开始产生的地方。但是，自由移动的电子却可以远离起始点进行聚集。这将可以使得制造商们能将导电电极缩小成不可见的网格，从而为用于窗户和其他表面的透明电池铺平了道路。
密歇根州立大学电气工程和计算机科学系研究生、论文作者之一Burlingame 表示，最初发现这个现象来源于一次意外，团队正在进行有机太阳能电池架构实验，希望提升其效率。他们使用一项称为“真空热蒸发”的普通技术，对于C60富勒烯进行分层，每一层都由60个碳原子组成，位于有机电池的产电层上方。在产电层中，太阳光中的光子撞击电子，使得电子与它们相关联的分子之间的连接变得松散。在富勒烯顶部，他们放置了另外一层以防止电子逃脱。
他们发现之前在有机物中从未发现的现象：电子不受约束地通过材料传输，甚至到达电池产电层外部。经过几个月实验，他们决定采用富勒烯形成所谓“势阱”，这种低能量区域防止带负电荷的电子与产电层中剩下的正电荷重新结合。
（图片来源：Robert Coelius，密歇根州立大学工程系）
密歇根州立大学物理系的研究生研究员、论文作者之一 Caleb Cobourn 表示：“你可以将势阱当成一种峡谷，电力跌落到其中，就无法出来。所以它们继续在富勒烯层中自由移动，而不是在产电层中重新结合，而它们通常会重新结合。”
价值
Quinn Burlingame 表示：“这项发现赋予我们一个新契机，有利于我们设计有机太阳能电池和其他有机半导体器件。长距离电子传输为器件架构带来了许多新的可能性。”
Forrest 表示，这项科研探索广泛的用途，例如太阳能电池，现在都是理论上的。但是，他感到激动的是，这项探索在理解和开发有机半导体特性方面的深远意义。
Forrest 表示：“我相信，无处不在的太阳能对于我们这个持续变暖和不断拥挤的星球来说很关键。并且，这意味着太阳能电池可以出现在日常物体例如建筑立面和窗户上。这样的技术将帮助我们以更加廉价和几乎不可见的方式生产电力。”
关键字
太阳能、电池、有机电子
参考资料
【1】http://ns.umich.edu/new/multimedia/videos/25377-semiconductor-breakthrough-may-be-game-changer-for-organic-solar-cells
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