塑料太阳能电池从混乱中得到提振

最初的文章发表在斯坦福新闻上。

这些X射线图像揭示了两种半导体塑料聚合物的微观结构。底部的图像是从一个高度有序的聚合物样品中排成一行的，上面有几个大晶体。上面的图像显示了一种无序的聚合物，其中有许多几乎无法辨认的微小晶体。乔纳森·里夫奈（Stanford）和迈克尔·托尼（SSRL / SLAC）

科学家们花费了数十年的时间来尝试制造足够高效的柔性塑料太阳能电池，以与传统的硅制电池竞争。为了提高性能，研究小组已尝试创建新的塑料材料，以增强通过太阳能电池的电流。几个小组希望通过将柔软的塑料重新设计成有序的硅状晶体来获得良好的结果，但是电流却没有改善。

最近，科学家发现分子水平的无序实际上改善了聚合物的性能。现在，斯坦福大学的研究人员对这一令人惊讶的结果做出了解释。他们的发现发表在8月4日的《自然材料》杂志在线版上，可以加快低成本，可商购获得的塑料太阳能电池的开发。

斯坦福大学材料科学与工程学副教授Alberto Salleo说：“人们以前认为，如果使聚合物更像硅，它们的性能会更好。”“但是我们发现，聚合物不能自然地形成良好的，有序的晶体。它们形成小的，无序的，那很好。”

Salleo和他的同事们没有试图模仿硅的刚性结构，而是建议科学家学会应对塑料固有的无序特性。

快速电子

在这项研究中，斯坦福大学的研究小组专注于称为共轭或半导电聚合物的一类有机材料-具有塑料性质以及吸收阳光和导电能力的碳原子链。

半导体聚合物发现于将近40年前，长期以来一直被认为是超薄太阳能电池，发光二极管和晶体管的理想选择。与用于屋顶太阳能电池板的硅晶体不同，半导体聚合物重量轻，可以在室温下使用喷墨打印机和其他廉价技术进行处理。那么，为什么今天的建筑物没有覆盖塑料太阳能电池？

Salleo说：“它们没有被商业化的一个原因是性能不佳。”“在太阳能电池中，电子需要快速穿过材料，但是半导体聚合物的电子迁移率很低。”

为了找出原因，萨利奥与当时是斯坦福大学研究生的罗德里戈·诺列加（Rodrigo Noriega）和乔纳森·里夫奈（Jonathan Rivnay）一起分析了超过二十年的实验数据。Salleo说：“多年来，许多人设计了更坚硬的聚合物，目的是制造高度组织化的晶体，但电荷迁移率仍然相对较差。”“然后，几个实验室制造了看起来无序但具有很高电荷迁移率的聚合物。为什么这些新材料比结构化的晶体更好地工作，这令人困惑。”

X射线分析

为了在显微镜下观察无序的材料，斯坦福大学的研究小组将样品带到SLAC国家加速器实验室进行X射线分析。X射线显示类似于指纹错误的分子结构。有些聚合物看上去像无定形的意大利面条，而另一些聚合物则形成只有几个分子长的微小晶体。

Salleo说：“晶体是如此之小且无序，您几乎无法通过X射线推断它们的存在。”“实际上，科学家认为他们不在那儿。”

通过分析流过样品的电流产生的光发射，斯坦福大学的研究小组确定许多小晶体散布在整个材料中，并通过长聚合物链连接在一起，就像项链上的珠子一样。Salleo说，晶体的小尺寸是提高整体性能的关键因素。

他说：“体积小可使带电的电子穿过一个晶体，然后迅速移动到下一个晶体。”“然后，长的聚合物链将电子迅速携带通过材料。这就解释了为什么它们比大的未连接晶体具有更高的电荷迁移率。”

他补充说，大结晶聚合物的另一个缺点是它们倾向于不溶，因此不能通过喷墨印刷或其他廉价的加工技术生产。

Salleo说：“我们的结论是，您不需要制作太硬的东西就可以形成大晶体。”“您需要设计一些小的，无序的晶体，它们紧密排列在一起并通过聚合物链连接。电子将像在高速公路上一样穿过晶体移动，而忽略了其余的塑料材料，这些塑料材料是非晶态且导电性很差。

他说：“从某种意义上说，合成化学家领先于我们，因为他们制造了这些新材料，但不知道为什么它们做得这么好。”“现在，他们知道了，他们可以出去设计更好的产品了。”

Salleo提供了最后一条建议。他说：“尝试设计一种可以使生活尽可能多的障碍的材料。”“把这种疾病视为理所当然。就个人而言，我真的很喜欢混乱。看看我的办公室。”

这项研究的其他作者是斯坦福大学的博士后学者Koen Vandewal。苏黎世联邦理工学院的Felix Koch和Paul Smith；伦敦帝国学院的娜塔莉·斯汀格林（Natalie Stingelin）；和SLACStanford同步辐射光源的Michael Toney。

这项研究得到了阿卜杜拉国王科技大学斯坦福大学先进分子光伏研究中心的支持；并由欧洲研究理事会负责。

马克·史瓦兹（Mark Shwartz）在斯坦福大学普雷考特能源研究所撰写有关能源技术的文章。