分子尺度的混乱推动低成本塑料太阳能电池研发

据物理学家组织网八月四日报道，美国科学家在八月四日出版的《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。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。

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。

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。

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。

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加有序的晶体，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。

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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。

通过分析流经这些样本的电荷释放出的光，科学家们确定，大量的小晶体散落在材料各处且通过长的聚合物链互联。塞罗解释道：晶体的‘小体型’是提高其性能的关键。体型小使带电的电子能通过晶体并快速移动到下一个晶体。随后，长的聚合物链携带电子快速通过材料，所以，其比更大的未被连接的晶体拥有更高的电子流动性。另外，大的聚合物一般不溶于水，因此，无法使用喷墨打印技术等廉价技术进行处理。