有机半导体激子扩散距离大提升

据物理学家组织网10月11日报道，美国罗格斯大学研究人员发现，激子在有机半导体晶体红荧烯中的扩散距离是以前认为的1000多倍，该距离与激子在制备无机太阳能电池的硅、砷化镓等材料中的距离相媲美。科学家认为，新的研究发现有望让有机太阳能电池的成本更低、性能更卓越，或许可以取代硅基太阳能电池。相关研究论文发表在《自然—材料学》杂志在线版上。罗格斯大学的助理教授瓦伊塔利·波德兹瑞福表示，科学界一直使用有机半导体来制造太阳能电池和其他产品，因为，有机半导体能够建造在大的塑料薄片上。但是，有机半导体有限的光伏转化效率限制了其在太阳能领域的发展，但新发现可以加速有机太阳能电池的研发速度。波德兹瑞福和同事发现，激子在超纯净的晶体有机半导体红荧烯中的行进距离是以前认为的1000多倍。而此前，研究人员观测到的激子在有机半导体中的行进距离不足200纳米。波德兹瑞福表示，这是科学家首次观察到激子在有机半导体中可行进几微米——其扩散距离从2微米到8微米不等，这个距离与激子在制备无机太阳能电池的材料硅、砷化镓中的扩散距离相媲美。而激子的扩散距离越远，可以吸收的太阳光越多。波德兹瑞福解释道，当激子碰撞到半导体的边界或结点时，电子移动到结点的一边，电子空穴移动到另一边，产生光伏电流。如果激子的扩散距离不到1纳米，仅仅离边界或结点最近的激子才会产生光伏电流，这也是为何目前有机太阳能电池的转化效率偏低的原因。研究人员指出，激子通常可分为万尼尔（Wannier）激子和弗伦克尔（Frenkel）激子。万尼尔激子在晶格中移动得更快，因此，其产生光电的属性更加突出。进一步发现，有机半导体红荧烯晶体内的激子的行为更像无机晶体中的万尼尔激子的行为。而之前，科学家以为，有机半导体中只会出现弗伦克尔激子。因此，该实验证明，激子扩散的障碍不是有机半导体的固有障碍，进一步的研究有望研发出效率更高、可批量生产的有机太阳能电池。研究人员也发明了一种新的技术—偏振分辨感光电流光谱，来分离晶体表面的激子，并且产生大的感光电流，这种技术也可以用于其他物质。（来源：科技日报刘霞）