Недавно ученые обнаружили, что нарушение на молекулярном уровне фактически улучшает характеристики полимеров. Теперь у исследователей Стэнфордского университета есть объяснение этому удивительному результату. Их выводы, опубликованные в августе.
4 онлайн-издание журнала Nature Materials, может ускорить разработку недорогих, коммерчески доступных пластиковых солнечных элементов.
«Раньше люди думали, что если сделать полимеры более похожими на кремний, они будут работать лучше», – сказал соавтор исследования Альберто Саллео, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Стэнфорде. "Но мы обнаружили, что полимеры не образуют естественным образом красивые, упорядоченные кристаллы. Они образуют маленькие беспорядочные, и это прекрасно."
Вместо того, чтобы пытаться имитировать жесткую структуру кремния, Саллео и его коллеги рекомендуют ученым научиться справляться с изначально неупорядоченной природой пластмасс.
Быстрые электроны
В своем исследовании команда Стэнфордского университета сосредоточилась на классе органических материалов, известных как сопряженные или полупроводниковые полимеры – цепочки атомов углерода, которые обладают свойствами пластика, а также способностью поглощать солнечный свет и проводить электричество.
Полупроводниковые полимеры, открытые почти 40 лет назад, долгое время считались идеальными кандидатами для ультратонких солнечных элементов, светодиодов и транзисторов. В отличие от кристаллов кремния, используемых в солнечных панелях на крыше, полупроводниковые полимеры легки и могут обрабатываться при комнатной температуре с помощью струйных принтеров и других недорогих технологий.
Так почему же сегодня здания не покрывают пластиковыми солнечными батареями??
«Одна из причин, по которой они не были коммерциализированы, – это низкая производительность», – сказал Саллео. «В солнечном элементе электроны должны быстро перемещаться через материалы, но полупроводниковые полимеры обладают низкой подвижностью электронов."
Чтобы выяснить, почему, Саллео присоединился к Родриго Норьеге и Джонатану Ривнею, которые в то время были аспирантами Стэнфордского университета, в анализе экспериментальных данных за более чем два десятилетия. «На протяжении многих лет многие люди разрабатывали более жесткие полимеры с целью получения высокоорганизованных кристаллов, но подвижность заряда оставалась относительно низкой», – сказал Саллео. "Затем в нескольких лабораториях были созданы полимеры, которые выглядели неупорядоченными, но при этом имели очень высокую подвижность заряда. Было загадкой, почему эти новые материалы работают лучше, чем более структурированные кристаллические."
Рентгеноструктурный анализ
Чтобы наблюдать за неупорядоченными материалами на микроскопическом уровне, команда из Стэнфорда взяла образцы в Национальную ускорительную лабораторию SLAC для рентгеновского анализа. Рентген показал молекулярную структуру, напоминающую испорченный отпечаток пальца.
Некоторые полимеры выглядели как аморфные нити спагетти, в то время как другие образовывали крошечные кристаллы длиной всего в несколько молекул.
«Кристаллы были настолько маленькими и беспорядочными, что невозможно было определить их присутствие по рентгеновским лучам», – сказал Саллео. "На самом деле ученые предполагали, что их там не было."
Анализируя световое излучение от электрического тока, протекающего через образцы, команда Стэнфорда определила, что многочисленные маленькие кристаллы были разбросаны по всему материалу и связаны длинными полимерными цепями, как бусины в ожерельях.
Саллео сказал, что малый размер кристаллов был решающим фактором в улучшении общей производительности.
«Малый размер позволяет заряженному электрону проходить через один кристалл и быстро переходить к следующему», – сказал он. "Затем длинная полимерная цепь быстро переносит электрон через материал. Это объясняет, почему у них гораздо более высокая подвижность заряда, чем у более крупных несвязанных кристаллов."
Еще один недостаток крупных кристаллических полимеров заключается в том, что они обычно нерастворимы и поэтому не могут быть получены струйной печатью или другими дешевыми технологиями обработки, добавил он.
«Мы пришли к выводу, что вам не нужно делать что-то настолько жесткое, что оно образует большие кристаллы», – сказал Саллео. "Вам нужно создать что-то с маленькими неупорядоченными кристаллами, упакованными близко друг к другу и соединенными полимерными цепями. Электроны будут двигаться сквозь кристаллы, как по супермагистрали, игнорируя остальной пластиковый материал, который является аморфным и плохо проводящим.
«В некотором смысле химики-синтетики опередили нас, потому что они создали эти новые материалы, но не знали, почему они так хорошо работают», – сказал он. "Теперь, когда они знают, они могут пойти и разработать еще лучшие."
И Саллео дал последний совет. «Постарайтесь создать материал, способный выдержать как можно больше беспорядков», – сказал он. "Примите беспорядок как должное. Лично мне очень нравится беспорядок. Просто посмотри на мой офис."