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来自 生命科学 2020-03-17 04:55 的文章
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分子尺度的混乱有助于推动低成本塑料太阳能电池的研发

据物理学家组织网8月4日报道,美国科学家在8月4日出版的《自然材料学》网络版上指出,分子尺度的混乱实际上能提高聚合物的性能,最新研究有助于推动低成本的商用塑料太阳能电池的研发工作。

OFweek太阳能光伏网讯:导读:最近,科学家发现无序的分子水平实际上能够提高聚合物的性能。现在,斯坦福大学科研人员已对这一惊人的发现做出了解释。这一发现,必将加速低成本商用塑料太阳能电池的发展。

几十年来,科学家们一直希望制造出性能足以与硅基太阳能电池相媲美的柔性塑料太阳能电池,为此,他们需要制造出能让电荷更快流经太阳能电池的塑料材料,有的科研团队提出的解决办法是将易弯曲的塑料聚合物设计成有序的类似硅的晶体,但电荷的流动性并没有得到提升。

为了研制出能够与传统硅电池一较高下的高效软塑料太阳能电池,科学家们已经投入了数十载光阴。目前,研究小组已经在尝试创造新型塑料材料,通过增强太阳能电池中的电流而提高电池性能。一些研究小组重新将柔韧的塑料聚合物设计到有序的类硅晶中,但是电流并没有因此而增强。

研究的合作者、斯坦福大学材料学和工程学副教授阿尔伯托塞罗表示:人们以前认为,使聚合物更像晶体硅,其性能会更好,但结果却是,聚合物并不会自然形成有序的晶体,它们会形成小而无序的晶体,这更好。科学家们应学会处理塑料固有的混乱天性。

“人们曾经以为只要聚合物的结构越像硅,他们的性能才会提高。”该研究联合作者及斯坦福大学材料科学和工程副教授AlbertoSalleo表示,“但是,我们发现聚合物天然不能形成美观、有序的晶体。他们只能形成小型无序的晶体,而这些刚好可以解决我们的技术难题。”

该研究团队对一类有机材料半导体聚合物进行了研究,这类材料的碳原子链拥有塑料的属性,但能吸收太阳光并导电。

Salleo和同事建议科学家们不要试图模拟硅的刚性结构,而是学会了解塑料的无序本质。

自从40年前半导体聚合物首次问世以来,它就一直被认为是制造超薄太阳能电池、发光二极管以及晶体管的理想材料。与目前的太阳能电池板内使用的硅晶体不同,半导体聚合物更轻便、能在室温下采用喷墨打印机等廉价技术进行处理。塞罗表示:在太阳能电池内,电子需要能很快通过材料,但半导体聚合物内电子的流动性很差,所以,它一直未被商业化。

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为了解决这个问题,有科学家设计出了更加坚硬的聚合物来制造更有序的晶体,但仍然于事无补;而另外一些科学家则制造出了一些看起来无序的聚合物,其反倒拥有很高的电荷流动性。

在研究中,斯坦福大学小组将焦点放在一类名为共轭或半导体聚合物的有机材料,这种材料具有塑料的性能以及吸收光照和导电的能力。

塞罗团队将那些无序的材料送到了SLAC国家加速器实验室进行X射线分析。结果表明,其中一种类似于指纹的分子结构变得无序。有些聚合物看起来像杂乱无章的意大利面条段,而另外一些则形成了仅仅几个分子长的小晶体。塞罗说:这些晶体小而无序,很难通过X射线发现它们,科学家们此前甚至认为它们并不存在。

半导体聚合物于40年前被发现,而且被长期认为是超薄太阳能电池、发光二级管和晶体管的理想材料。与屋顶太阳能板采用的硅晶体不同,半导体聚合物结构轻巧并能在室温下采用喷墨打印机和其它廉价技术进行加工。然而,它并没有被商业化的一个主要原因是性能低下。太阳能电池中的电子需要在材料中快速移动,而半导体聚合物的电子迁移率很低。

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