塑料聚合物的混乱性质可以提高塑料太阳能电池的性能

这些X射线图像揭示了两个半导体塑料聚合物的微观结构。具有连续堆叠的几个大晶体的底部图像来自高度有序的聚合物样品。顶部图像显示无序聚合物，其具有众多微小的晶体，几乎可辨别。

在一项新的研究中，斯坦福科学家解释了分子水平的障碍如何改善塑料太阳能电池的性能，这可能导致低成本，市售的塑料太阳能电池。

科学家们花了几十年来试图建立足够柔韧的塑料太阳能电池，以便与硅制成的传统电池竞争。为了提高性能，研究组尝试创建新的塑料材料，通过太阳能电池增强电流。几个群体预计通过重新设计塑料的型塑料聚合物，硅状晶体，但电流没有改善。

最近，科学家发现分子水平的紊乱实际上提高了聚合物的性能。现在斯坦福大学的研究人员对这个令人惊讶的结果有一个解释。他们的发现，在8月4日在线版的期刊自然材料中发布，可以加快开发低成本，市售的塑料太阳能电池。

“人们曾经认为，如果你更像硅的聚合物更像是他们会表现出更好的话，”斯坦福大学材料科学与工程副教授Alberto Salleo学习。“但我们发现聚合物自然不会形成良好，有序的晶体。它们形成小，无序的，这完全没问题。“

而不是试图模仿硅的刚性结构，萨利奥和他的同事建议科学家学会应对塑料的固有无序性质。

快速的电子

在该研究中，斯坦福大学团队专注于一类称为共轭或半导体聚合物的有机材料 - 具有塑料性能的碳原子的链条，以及吸收阳光和电力的能力。

近40年前发现，半导体聚合物长期以来一直被认为是超太阳能电池，发光二极管和晶体管的理想候选者。与屋顶太阳能电池板中使用的硅晶体不同，半导体聚合物是轻质的，可以在室温下用喷墨打印机和其他廉价技术加工。那么为什么今天的建筑物不是塑料太阳能电池？

“他们没有商业化的一个原因是因为表现不佳，”Salleo说。“在太阳能电池中，电子需要快速移动材料，但半导体聚合物具有差的电子迁移率。”

要了解为什么，Salleo加入Rodrigo Noriega和Jonathan Rivnay，他当时是斯坦福研究生，分析了超过二十年的实验数据。“多年来，许多人设计了更富有的聚合物，目的是制造高度有组织的水晶，但电荷流动性仍然相对较差，”萨利奥说。“那么几个实验室创造了看起来混乱的聚合物，并且具有非常高的电荷移动性。这是一个难题为什么这些新材料比更具结构化的结晶更好的工作。“

X射线分析

为了观察微观级别的无序材料，斯坦福队将样品与SLAC国家加速实验室进行X射线分析。X射线显示出类似于指纹的分子结构。一些聚合物看起来像意粉的无定形股，而其他聚合物则只形成微小的晶体即可长。

“晶体如此小而且紊乱，你几乎无法推断出他们的X射线的存在，”萨利奥说。“事实上，科学家认为他们不在那里。”

通过分析流过样品的电力的光排放，斯坦福团队确定了许多小晶体在整个材料中散射并通过长聚合物链连接，如项链中的珠子。Salleo说，晶体的小尺寸是提高整体性能的关键因素。

“小让充电的电子能够经过一个水晶并迅速前进到下一个水晶，”他说。然后，长聚合物链通过材料快速地携带电子。这解释了为什么它们具有比较大的未连接晶体更高的电荷移动性。“

他补充说，大结晶聚合物的另一个缺点是它们往往是不溶性的，因此不能通过喷墨印刷或其他廉价的加工技术生产。

“我们的结论是，您不需要制造僵硬的东西，即它形成大晶体，”Salleo说。“您需要设计具有小型无序晶体的东西，靠近靠近聚合物链连接并通过聚合物链连接。电子将在高速公路上像在高速公路上一样移动，忽略其余的塑料材料，这是无定形的，导致不良。

“在某种意义上，合成化学家领先于我们，因为他们制作了这些新材料，但不知道他们为什么这么做，”他说。“现在他们知道，他们可以出去设计更好的。”

和Salleo提供了一系列建议。“试着设计一种尽可能多紊乱的材料，”他说。“让这种疾病成为理所当然。就个人而言，我真的很喜欢混乱。看看我的办公室。“

该研究的其他作者是斯坦福州的博士学者Koen Vandewal;伊斯利克斯科赫和埃尔希希的保罗史密斯;伦敦帝国学院娜塔莉斯汀; Slac Stanford Synchrotron Synchrotron Synchrotron Lightsource的Michael Toney。

该研究得到了斯坦福大学科技大学国王先进分子光伏奖的支持;由欧洲研究理事会。

出版物：Rodrigo Noriega，“混合聚合物中紊乱，聚集和电荷运输的一般关系，”自然材料，2013; DOI：10.1038 / NMAT3722

图像：Jonathan Rivnay（Stanford）和Michael Toney（SSRL / SLAC）