化學：科研人員發現提高塑料太陽能電池性能的辦法！
這些X射線圖像揭示了兩種半導體塑料聚合物的微觀結構。底部圖像，連續堆疊的幾個大晶體，來自高度有序的聚合物樣品。頂部圖像顯示無序聚合物，其中有許多微小的晶體，幾乎看不清楚。圖片來源：Jonathan Rivnay（斯坦福大學）和Michael Toney（SSRL / SLAC）。
幾十年來，科學家們一直試圖建造靈活的塑料太陽能電池，其效率足以與傳統的硅制電池競爭。為了提高性能，研究小組已經嘗試製造新的塑料材料，以增強通過太陽能電池的電流。一些團體希望通過將塑料的柔韌聚合物重新設計成有序的硅狀晶體來取得良好的效果，但電流卻沒有改善。
最近，科學家發現分子水平的紊亂實際上改善了聚合物的性能。現在，斯坦福大學的研究人員對這一令人驚訝的結果有了解釋。他們的研究結果發表在8月4日的“ 自然材料 ”雜誌網絡版上，可以加速低成本，商用塑料太陽能電池的開發。
研究報告的共同作者，斯坦福大學材料科學與工程副教授Alberto Salleo說：“人們過去認為，如果你讓聚合物更像硅，它們的表現會更好。”“但我們發現聚合物不會自然地形成漂亮，有序的晶體。它們形成小的，無序的，並且完全沒問題。”Salleo和他的同事們並沒有試圖模仿硅的剛性結構，而是建議科學家們學會應對塑料固有的無序性。
快速的電子！
在這項研究中，斯坦福大學的研究小組專注於一類被稱為共軛或半導體聚合物的有機材料- 具有塑料特性的碳原子鏈，以及吸收陽光和導電的能力。
近40年前發現，半導體聚合物長期以來被認為是超薄太陽能電池，發光二極管和晶體管的理想選擇。與屋頂太陽能電池板中使用的硅晶體不同，半導體聚合物重量輕，可以在室溫下使用噴墨打印機和其他廉價技術進行處理。那麼為什麼今天的建築物不是用塑料太陽能電池覆蓋？
“他們尚未商業化的一個原因是性能不佳，”Salleo說。“在太陽能電池中，電子需要快速穿過材料，但半導體聚合物的電子遷移率很低。”
為了找出原因，Salleo加入了當時斯坦福大學研究生Rodrigo Noriega和Jonathan Rivnay，分析了二十多年的實驗數據。“多年來，許多人設計了更硬的聚合物，目的是製造高度有組織的晶體，但電荷移動性相對較差，”Salleo說。“然後幾個實驗室製造的聚合物看起來混亂，而且具有很高的電荷遷移率。為什麼這些新材料比結構更結晶的材料更好地工作，這是一個難題。”
X射線分析！
為了觀察微觀層面的無序材料，斯坦福大學團隊將樣品送到SLAC國家加速器實驗室進行X射線分析。X射線顯示出類似於指紋的分子結構。一些聚合物看起來像意大利麵條的無定形鏈，而其他聚合物形成只有幾分子長的微小晶體。“晶體太小而且無序，你幾乎無法用X射線推斷它們的存在，”Salleo說。“事實上，科學家們認為他們不在那裡。”
通過分析流經樣品的電流的光發射，斯坦福大學的研究小組確定，許多小晶體散佈在整個材料中，並通過長聚合物鏈連接，如項鍊中的珠子。Salleo說，小尺寸的晶體是提高整體性能的關鍵因素。
他說：“小得可以使帶電的電子穿過一個晶體並快速移動到下一個晶體。” “然後，長聚合物鏈將電子快速傳輸通過材料。這就解釋了為什麼它們比較大的，未連接的晶體具有更高的電荷遷移率。”他補充說，大結晶聚合物的另一個缺點是它們往往不溶，因此不能通過噴墨印刷或其他廉價的加工技術生產。
“我們的結論是，你不需要做出那麼僵硬的東西，它會形成大的水晶，”Salleo說。“你需要設計一些小而無序的晶體，這些晶體緊密地堆積在一起並通過聚合物鏈連接起來。電子將像高速公路一樣穿過晶體，忽略其餘的塑料材料，這是無定形的，導電性差。
“從某種意義上說，合成化學家領先於我們，因為他們製造了這些新材料，但不知道為什麼它們能很好地工作，”他說。“現在他們知道，他們可以出去設計更好的。”
Salleo提出了最後一條建議。“試著設計一種能夠儘可能多地紊亂的材料，”他說。“把這種疾病視為理所當然。就個人而言，我真的很喜歡混亂。只要看看我的辦公室。”
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