富勒烯帮助电子在有机太阳能电池中进一步移动

这是由密歇根大学的研究人员开发的含有富勒烯分子薄层的新型有机太阳能电池。照片来源：密歇根大学的Robert Coelius。

密歇根大学的研究人员发现，在推动廉价、无处不在的太阳能更接近现实的发展中，科学家们发现了一种使电子能够在有机太阳能电池和其他有机半导体等经常使用的材料中比以前传播的更远的方法。

负责这项研究的工程学教授tephen Forrest说：“多年来，人们一直把有机物质的低导电性视为一个不可避免的事实，现实情况并不总是如此”。

  与当今广泛使用的无机太阳能电池不同，有机物质可以由廉价、灵活的碳基材料如塑料制成。制造商们可以生产出各种颜色和配置的卷筒，几乎可以在任何表面上均匀地层叠。

然而，有机化合物的低导电性已经减缓了研究的速度。Forrest认为，在“自然”杂志上发表的这一新发现，可能会改变这个游戏规则。

研究小组发现，一层薄的富勒烯分子–圆形碳分子，也叫“扣球”–可以帮助电子从光子撞击的地方移动到几厘米处。这是一个引人注目的增长；在今天的有机细胞中，电子只能传播几百纳米或更少。电子从一个原子转移到另一个原子，在太阳能电池或电子组件中构成电流。在今天的无机太阳能电池和其它半导体中使用的类似硅的材料具有紧密束缚的原子网络，使得电子容易穿过材料。但是有机材料在单个分子之间有更松散的键，这些分子可以捕获电子。长期以来，这一直是有机物质的致命弱点。但这一新发现表明，在特定的应用中，可以调整它们的导电性能。

电子在有机半导体中更自由移动的能力可能具有深远的意义。例如，今天的有机太阳能电池的表面必须覆盖一个导电电极，在最初产生电子的地方收集电子。但是自由移动的电子可以被收集到远离其起始点的地方。这可以让制造商将导电电极缩小成一个看不见的栅格，从而为透明电池的使用铺平道路，而透明电池可以用于窗户和其他表面。

该论文的共同作者之一、电气工程和计算机科学研究生Quinn Burlingame说：“这一发现实质上给了我们一个新的旋钮，当我们设计有机太阳能电池和其他有机半导体装置时，远距离电子传输的可能性在器件结构中开辟了许多新的可能性。”

Burlingame说，最初发现这一现象是偶然的，因为该小组正在试验有机太阳能电池结构，希望提高效率。他们使用一种叫做真空热蒸发的普通技术，将一层C60富勒烯–每个由60个碳原子组成–在有机电池的发电层上分层，在该层，太阳光的光子会将电子从它们的相关分子中释放出来。在富勒烯的顶部，它们又加了一层以防止电子逃逸。

然后，他们发现了一些他们以前从未在有机电子中看到过的东西–即使是在电池的发电区域之外，电子也在不受束缚地掠过物质。经过几个月的实验，他们确定富勒烯层形成了所谓的能量阱–一个低能区，防止带负电荷的电子与发电层中留下的正电荷重新结合。

该论文的合著者、物理系的研究生研究员Caleb Cobourn说：“你可以想象一种能量–就像一个峡谷电子落入其中，不能再出来，因此，它们继续在富勒烯层自由移动，而不是像通常那样在发电层重新组合。这就像一个巨大的天线，可以从设备的任何地方收集电子电荷。”

Forrest警告说，在像太阳能电池这样的应用中广泛使用这项发现只存在理论上的意义。但他对这一有机半导体的性能的发现和开发的更大意义感到兴奋。

Forrest说：“我相信，无处不在的太阳能是为我们这个不断变暖、日益拥挤的星球提供动力的关键，即在建筑外墙和窗户等日常物体上安装太阳能电池。这样的技术可以帮助我们以一种价格低廉、几乎看不见的方式发电。”

原文来自MaterialsDoday原文题目为Fullerenes help electrons travel further in organic solar cells