由于在實(shí)驗(yàn)中的一次意外發(fā)現(xiàn)，發(fā)展緩慢的有機(jī)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)終于迎來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)，其能量轉(zhuǎn)換效率取得了重大突破。這一突破來(lái)自于電子在富勒烯分子(俗稱“巴克球”)層中移動(dòng)的過(guò)程。密歇根大學(xué)的科學(xué)家們?cè)谠囼?yàn)有機(jī)太陽(yáng)能電池架構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)。當(dāng)時(shí)研究人員在有機(jī)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(dòng)電子傳輸。

他們發(fā)現(xiàn)，電子在富勒烯層中移動(dòng)更自由，傳得更遠(yuǎn)，并且還產(chǎn)生了一個(gè)“能量井”(技術(shù)上稱為勢(shì)阱)，讓電子無(wú)法逃脫。當(dāng)這些電子在富勒烯分子層中傳輸時(shí)，傳輸距離可達(dá)幾厘米(目前的有機(jī)電池中最多只能移動(dòng)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(jī)電池的導(dǎo)電性很弱，因?yàn)橛袡C(jī)材料的各個(gè)分子之間有很多松散的連接鍵。分子之間沒(méi)有高效率的導(dǎo)通管路，因此電子經(jīng)常被捕獲，最多只能移動(dòng)幾百納米。對(duì)于有機(jī)太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，電子被捕獲是限制電子移動(dòng)距離的主要障礙。如果電子可以在沒(méi)有阻擋的情況下自由移動(dòng)，它們就能傳輸?shù)酶h(yuǎn)。對(duì)于所有的太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)都是如此，但有機(jī)電池讓電子的移動(dòng)遇到了更大的挑戰(zhàn)。因?yàn)殡娮釉诒徊东@之前移動(dòng)的距離不夠遠(yuǎn)，所以無(wú)法進(jìn)入電路。這種阻礙降低了電池的導(dǎo)電性，并且隨著自由流動(dòng)的電子越來(lái)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(dǎo)體組成的有機(jī)太陽(yáng)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(wú)法與硅基的無(wú)機(jī)太陽(yáng)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(yáng)能電池板。

不過(guò)，有機(jī)太陽(yáng)能電池的一些優(yōu)勢(shì)特性讓其仍有進(jìn)一步研究的價(jià)值。例如，除了采用更簡(jiǎn)單的聚合物加工技術(shù)使其具有降低成本的潛力外，有機(jī)太陽(yáng)能電池還更薄、更靈活、更透明。這些特性對(duì)于將陽(yáng)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(shí)，公司可以將有機(jī)太陽(yáng)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(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池既不實(shí)用也不可行。另外這些有機(jī)太陽(yáng)能電池還有其他優(yōu)勢(shì)，比如它們有多種顏色和配置，具有更好的美學(xué)效果。

導(dǎo)電性的突破

很明顯，我們需要找到一些方法來(lái)充分發(fā)揮有機(jī)太陽(yáng)能電池的潛力，而導(dǎo)電性的突破就是關(guān)鍵的一點(diǎn)。據(jù)密歇根大學(xué)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(jī)太陽(yáng)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(dòng)電子傳輸。他們使用一項(xiàng)被稱為“真空熱蒸發(fā)”的普通技術(shù)，對(duì)C60富勒烯進(jìn)行分層，每一層都由60個(gè)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(dòng)，而不是被困在有機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)而被認(rèn)為是優(yōu)秀的受體分子。(值得注意的是，自從富勒烯在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，出現(xiàn)了一種新的高效太陽(yáng)能電池，現(xiàn)在被稱為非富勒烯受體(NFA)有機(jī)太陽(yáng)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(shì)(即量子)阱。一旦電子落入富勒烯分子的勢(shì)阱，就很難出來(lái)。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(kāi)并與空穴重新結(jié)合，形成額外的障礙。

電子能夠影響勢(shì)阱外區(qū)域的唯一方式是通過(guò)電子隧穿。如果將量子阱并排放置，也就是說(shuō)，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(zhǎng)就可以重疊并在勢(shì)阱之間建立連接，從而使電子(和電流)流動(dòng)。因此，通過(guò)在富勒烯層中捕獲電子，分子間非常接近的勢(shì)阱讓電子能夠暢通無(wú)阻地流動(dòng)，而沒(méi)有被困住的風(fēng)險(xiǎn)。

同樣，由于電子可以自由移動(dòng)，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(dòng)得更遠(yuǎn)，達(dá)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?yàn)閱蝹€(gè)電子攜帶的能量更多，而是因?yàn)殡娐分辛鲃?dòng)著更多的載流子(即電荷)。最終，有機(jī)太陽(yáng)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(dòng)的電子數(shù)量。

對(duì)行業(yè)的影響

密歇根大學(xué)的研究人員承認(rèn)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)只是一個(gè)開(kāi)始，還要做更多的工作來(lái)改善有機(jī)太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)，特別是要研究還有哪些有機(jī)材料能成為優(yōu)秀的電子導(dǎo)體。密歇根大學(xué)的工程教授Stephen Forrest預(yù)計(jì)，開(kāi)發(fā)一個(gè)主流的有機(jī)太陽(yáng)能電池解決方案可能需要長(zhǎng)達(dá)10年的時(shí)間。

不過(guò)，富勒烯的發(fā)現(xiàn)總算為有機(jī)材料用于制造高效、透明的太陽(yáng)能電池鋪平了道路。例如，太陽(yáng)能電池制造商可以將太陽(yáng)能電池的導(dǎo)電電極縮小成不可見(jiàn)的網(wǎng)格，并結(jié)合有機(jī)太陽(yáng)能電池的其他特性，將有機(jī)材料層壓在任何物體表面上。由于有機(jī)太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)合理的價(jià)格。不過(guò)也許這個(gè)發(fā)現(xiàn)所帶來(lái)的最大突破是，更多的發(fā)現(xiàn)會(huì)催生更多的進(jìn)步。

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原文標(biāo)題：有機(jī)太陽(yáng)能電池導(dǎo)電性迎來(lái)新突破

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審核編輯：湯梓紅