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電子高速公路推動有機太陽能板創新?

上網時間: 2015年09月23日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:有機半導體  酞菁  電子高速公路  激子  材料科學 

美國佛蒙特大學(UVM)材料科學家研究團隊利用有機半導體——低成本的藍色染料「酞菁」(phthalocyanine),開發出一種可創造出「電子高速公路」(electron superhighway)的方式,據稱可讓電子流的更快更遠。

這一發現發表在《自然通訊》(Nature Communications)雜誌,將有助於推動傳統矽基電子替代方案的進展。

UVM物理學家兼材料科學家Madalina Furis指出,新一代的有機半導體能以低成本製造出這種軟性電子。

許多類型的軟性電子元件都有賴於有機材料薄膜捕捉陽光,以及利用「激子」材料中的激發狀態將光轉換成電流。大致上,激子是一種可與其孔洞結合在一起的移動電子。在激子斷開產生電流達到接合點以前,增加激子可擴散的距離,對於改善有機半導體的效率至關重要。

使用一種新的成像技術,UVM團隊得以在酞菁薄膜——電子高速公路的路障——中觀察到奈米級的缺陷與晶粒邊界。「我們發現其中存在著電子必須越過的山丘以及需要避免的坑洞,」Furis解釋。

為了找到這些缺陷,UVM團隊打造了一個雷射掃描顯微鏡。這款儀器結合線性偏振光與光致螢光的一種特殊形式,以光學探測酞菁結晶的分子結構。

「結合這兩種技術的作法相當新,任何地方都還沒有這樣的研究報告,」Furis實驗室的一位博士生兼該研究的共同作者Lane Manning表示。

該技術讓科學家更深入地瞭解分子如何排列以及晶體中的界限如何影響激子的移動。這些邊界形成了一個「激子擴散的屏障」。

研究人員說,「這種能障可以被完全消除」。具體的技巧在於仔細地控制薄膜如何沉積的方式。利用帶有中空毛細管的新式「筆寫」技術,UVM實驗室中的物理學與材料科學教授Randy Headrick,形成了具有超大尺寸晶粒和微小角度晶界的薄膜。

儘管這項研究著重於一種有機材料——酞菁,但也為探索其他許多有機材料類型指引了方向,特別是對於改善太陽能電池帶來希望。美國能源部(DoE) 最近的一份報告指出,改善太陽能電力技術的重要瓶頸之一在於「在分裂為可轉換成電力的電荷以前,透過從系統遷移的吸收能量(激子)來確定機制。」

UVM的研究以Furis的兩名學生Zhenwen Pan與Naveen Rawat為主導,為觀察有機半導體薄膜開啟了一扇窗,這種有機半導體薄膜是讓激子遷移的更遠的機制。「這種分子就像碗盤一樣地堆疊,」Furis解釋,這些堆疊的分子就是電子高速公路。

雖然激子是中性電荷,也無法像電子可經由電壓推動而流動一樣,在某種意義上,激子可能會從緊密堆疊的分子之一彈回到下一個。這讓有機薄膜得以沿著分子高速公路攜帶能量, 不過並不能傳送電荷。

Furis指出,「目前的巨大挑戰之一在於如何讓光電和太陽能技術變得更好。為此,我們需要更深入地瞭解激子擴散。這也是整個研究的重點所在。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Can electron superhighway drives organic solar panel innovations?,by Paul Buckley)





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