緩慢發(fā)展的有機(jī)太陽(yáng)能電池行業(yè)終于在尋求優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換方面取得了突破，并且由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的意外發(fā)現(xiàn)，這一突破來(lái)自于用富勒烯分子層——通常稱(chēng)為“巴基球”來(lái)誘導(dǎo)電子的過(guò)程。 ” 密歇根大學(xué)的科學(xué)家在試驗(yàn)有機(jī)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這一發(fā)現(xiàn)。研究人員在有機(jī)電池的能量產(chǎn)生層頂部添加了兩層富勒烯分子，光子在該層撞擊太陽(yáng)能電池以驅(qū)逐電子。

他們發(fā)現(xiàn)，電子在富勒烯層中移動(dòng)得更自由，走得更遠(yuǎn)，并且在電子無(wú)法逃逸的地方也產(chǎn)生了“能量井”（技術(shù)上稱(chēng)為勢(shì)阱）。結(jié)果是這些電子 - 當(dāng)與富勒烯分子層一起被誘導(dǎo)時(shí) - 可以移動(dòng)長(zhǎng)達(dá)幾厘米（與納米相比），這使它們能夠產(chǎn)生更大的電流。

為什么這一突破很重要

眾所周知，有機(jī)細(xì)胞的電子傳導(dǎo)性較弱，因?yàn)樗鼈冊(cè)趩蝹€(gè)分子之間的鍵合松散。電子在分子之間沒(méi)有有效的管道，而是經(jīng)常被困住，最多只能移動(dòng)幾百納米。在有機(jī)太陽(yáng)能電池中，這種電子俘獲是限制這些電子行進(jìn)距離的主要障礙。如果它們可以在沒(méi)有阻力的情況下自由穿過(guò)結(jié)構(gòu)，它們可以走得更遠(yuǎn)。這對(duì)所有太陽(yáng)能電池都是一樣的，但有機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些電子的穿過(guò)提出了更大的挑戰(zhàn)。因?yàn)殡娮釉诒环@之前行進(jìn)的距離不夠遠(yuǎn)（它們無(wú)法移動(dòng)），所以它們無(wú)法參與電路。這種電子參與的阻礙降低了電池的電導(dǎo)率，反過(guò)來(lái)，轉(zhuǎn)換效率降低，因?yàn)楦俚淖杂闪鲃?dòng)電子可以循環(huán)。因此，由聚合物等非金屬半導(dǎo)體組成的有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率最高只能達(dá)到 13.1%。這種效率水平無(wú)法與提供 26.6% 功率效率并在當(dāng)今太陽(yáng)能電池板中廣泛使用的硅基無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池競(jìng)爭(zhēng)。

然而，有機(jī)太陽(yáng)能電池的幾個(gè)積極特性突出表明需要進(jìn)一步研究以提高其效率。例如，除了由于更簡(jiǎn)單的聚合物加工技術(shù)而可能降低成本外，有機(jī)太陽(yáng)能電池還更薄、更靈活和透明。這些特性對(duì)于有效地將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能至關(guān)重要。此外，在旨在建造凈零能耗建筑 (NZEB) 或改造現(xiàn)有結(jié)構(gòu)以提高能源效率的項(xiàng)目中，公司可以將有機(jī)太陽(yáng)能電池集成到結(jié)構(gòu)本身中，例如在屋頂和墻壁上，較重、不靈活的硅-基于無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池是不實(shí)用或不可行的。這些有機(jī)太陽(yáng)能電池的好處還在于它們具有多種顏色和配置，

突破審查

很明顯，需要找到使有機(jī)太陽(yáng)能電池發(fā)揮其全部潛力的方法，而最近的這一突破可能就是這樣做的。根據(jù)密歇根大學(xué)題為“半導(dǎo)體突破可能成為有機(jī)太陽(yáng)能電池的游戲規(guī)則改變者”的文章，其研究人員從有機(jī)電池的發(fā)電層開(kāi)始，光子在該層撞擊太陽(yáng)能電池以驅(qū)逐電子?！笆褂靡环N稱(chēng)為真空熱蒸發(fā)的常用技術(shù)，它們?cè)?C 60富勒烯薄膜中分層- 每個(gè)富勒烯由 60 個(gè)碳原子組成?！?他們發(fā)現(xiàn)電子在富勒烯層中自由移動(dòng)，而不是被困在有機(jī)分子之間的松散鍵中。

有趣的是，眾所周知，富勒烯是出色的受體分子，因?yàn)樗鼈兙哂锌勺兊碾s交狀態(tài)、再雜交能力和彎曲的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（然而，值得注意的是，自從發(fā)現(xiàn)富勒烯在太陽(yáng)能電池中的用途以來(lái)，出現(xiàn)了一種新的高效類(lèi)別，現(xiàn)在稱(chēng)為非富勒烯受體 (NFA)有機(jī)太陽(yáng)能電池，它具有與富勒烯相似的電子接受特性，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。這意味著一旦電子進(jìn)入富勒烯分子的勢(shì)阱，就很難去除電子。使用將富勒烯層夾在中間的電子阻擋層以防止任何電子離開(kāi)并與空穴重新結(jié)合會(huì)產(chǎn)生額外的障礙。

電子影響勢(shì)阱外領(lǐng)域的唯一方式是通過(guò)電子隧穿。然而，當(dāng)你并排放置量子阱時(shí)，也就是說(shuō)，富勒烯分子可以在一層中彼此相鄰放置，它們可以形成所謂的“超晶格”。如果量子阱之間的距離小于電子的隧道波函數(shù)的范圍，則電子波長(zhǎng)可以重疊并在勢(shì)阱之間建立連接，從而使電子（和電流）能夠流動(dòng)。因此，通過(guò)將電子捕獲在富勒烯層內(nèi)，分子與分子之間的勢(shì)阱非常接近，從而使電子能夠暢通無(wú)阻地流動(dòng)而沒(méi)有糾纏的風(fēng)險(xiǎn)。

同樣，因?yàn)樗鼈兛梢宰杂梢苿?dòng)并且不能與能量產(chǎn)生層中的空穴重新結(jié)合，所以電子可以移動(dòng)得更遠(yuǎn)——可達(dá)幾厘米，而不僅僅是納米——這使它們能夠產(chǎn)生更大的電流。如前所述，這是現(xiàn)在可能的更大電流的結(jié)果，不是因?yàn)閱蝹€(gè)電子攜帶更多能量，而是因?yàn)橛懈嚯娏鳎措姾桑┹d流子在電路周?chē)鲃?dòng)。最終，有機(jī)太陽(yáng)能電池中比電流（和效率）的增加取決于添加富勒烯之前與之后相比有多少電子在系統(tǒng)周?chē)鲃?dòng)。

啟示

密歇根大學(xué)的研究人員承認(rèn)，這一發(fā)現(xiàn)只是一個(gè)開(kāi)始，還有更多的工作要做，以改進(jìn)太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)，特別是研究有機(jī)材料中還有什么可以成為良好的電子導(dǎo)體。密歇根大學(xué)工程學(xué)教授 Stephen Forrest 預(yù)計(jì)，可能需要長(zhǎng)達(dá) 10 年的時(shí)間才能出現(xiàn)主要的有機(jī)太陽(yáng)能電池解決方案。

不過(guò)，這一富勒烯發(fā)現(xiàn)為有機(jī)材料鋪平了道路，可用于制造透明太陽(yáng)能電池，這種太陽(yáng)能電池在較長(zhǎng)距離內(nèi)非常有效。例如，太陽(yáng)能電池制造商可以將太陽(yáng)能電池的導(dǎo)電電極收縮成看不見(jiàn)的網(wǎng)格，并結(jié)合有機(jī)太陽(yáng)能電池的其他特性，太陽(yáng)能電池可以在任何表面上形成疊片，而不會(huì)受到阻礙。由于與有機(jī)太陽(yáng)能電池相關(guān)的聚合物加工成本較低，這些解決方案對(duì)于廣泛的應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能相當(dāng)便宜。也許這一涉及有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)現(xiàn)的最大突破是，更多的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致更多的進(jìn)步即將出現(xiàn)。

審核編輯黃昊宇