几十年来，科学家们一直在研发一种高效的柔性塑料太阳能电池，希望其能够与传统的硅太阳能电池媲美。为了提高太阳能电池性能，研究小组尝试研发新型塑料材料促进电流在太阳能电池中的流动。一些研究小组本来希望通过把塑料聚合物重新设计成有序的硅状晶体，但是电流没有得到提高。

　　近日，科学家发现分子级的无序性能够提高聚合物的性能。斯坦福大学的研究人员对此做出解释。他们的研究成功能够加速低成本聚合物太阳能电池在商业应用上的快速发展。该研究成果发表在8月4日《自然材料》在线版。

　　X射线图像揭示了两个半导体塑料聚合物的微观结构。下图是高度有序的聚合物样本，

　　图中几个较大晶体排为一排。上图是无序聚合物，很多小晶体几乎无法识别。

　　斯坦福大学材料科学和工程学助理教授，同时也是研究报告的联合撰写人Alberto Salleo表示：“在过去，人们认为聚合物与硅相似度越高，它们的性能就越好。但是，我们发现聚合物在本质上并不形成性能良好、排列有序的晶体。它们通常形成体积较小、排列无序的晶体，但是性能非常好。”Salleo及其同事建议科学家们去研究塑料聚合物本身的无序结构，而不是去模仿硅的刚性结构。

　　快速移动的电子

　　报告中，斯坦福大学研究小组主要研究一种有机材料，人们称之为共轭或者半导体聚合物，即一种有聚合物性能的碳原子链，能够吸收阳光并具有导电性。

　　早在40年前，科学家们就发现了半导体聚合物，并一直认为它是制作超薄太阳能电池、发光二级管和晶体管的理想材料。与屋顶太阳能电池的硅晶体不同，半导体聚合物重量更轻，可以使用喷墨打印机和其他低成本工艺在室温下加工。

　　Salleo说：“不能商业化生产的原因是因为他们性能很差。在太阳能电池中，电子需要快速通过材料，但是半导体聚合物的电子流动性很不活跃。”

　　为了找出其中原因，Salleo与校友Rodrigo Noriega和Jonathan Rivnay一同分析过去二十几年的实验数据。Salleo说：“在过去，很多研究人员设计出刚性更高的聚合物，旨在制作高组织的晶体。但是，电荷迁移率仍然很低。后来，几个实验室研制出无序性的聚合物，并且电荷迁移率很高。这些无序晶体比有序晶体的性能要好，一直是个迷。”

　　X-射线分析

　　为了从微观层面观察这些无序材料，斯坦福大学研究小组将样品带到SLAC国家加速器实验室进行X射线分析。通过使用X射线，研究人员发现一个分子结构，类似一个偏差的指纹。部分聚合物看上去很像杂乱的意大利面，也有部分聚合物形成了几个分子长度的微小晶体。

　　Salleo说：“这些晶体很小，非常杂乱，你几乎不能根据X射线推断出它们的存在。但事实上，科学家们曾假设它们并不存在。”

　　通过分析流经实验样品的电流发出的光，斯坦福大学研究人员认为这些数不清的微小晶体分散在材料上，并通过长的聚合物链相连接，就像项链上的珠子。Salleo说：“这种晶体体积微小，是提高太阳能电池整体性能的关键因素。颗粒微小使带电电子能够通过一个晶体并快速移动到下一个晶体。随后，长的聚合物链载着电子快速通过材料。这就很好解释了为什么它们的电荷迁移率比体积较大、未连接的晶体要高。另外，大体积结晶聚合物的另一个缺点就是难以找到解决办法，不能用喷墨打印机或者其它廉价的工艺生产。”

　　Salleo还补充道：“我们实验的结论是：你无需研制刚性物质来生成较大体积的晶体。你只需设计细小、无序的晶体，这些晶体紧紧团在一起，通过聚合物链相连接。电子通过晶体就像汽车在高速路上驾驶，完全忽视其余无定形、导电性差的塑料材料。

　　Salleo说：“从某种程度上讲，合成化学家走在了我们的前面，因为他们研制成这些新型材料，但却不知道它们的工作效果这么好。现在他们知道了，能够生研制出更好的产品。”【红尘有你】