På ett förskott som kan driva billigt, allestädes närvarande solenergi närmare verkligheten, Forskare vid University of Michigan har hittat ett sätt att locka elektroner att resa mycket längre än man tidigare trodde var möjligt i material som ofta användes för organiska solceller och andra organiska halvledare.

"I åratal, människor hade behandlat den dåliga konduktiviteten hos organiska ämnen som ett oundvikligt faktum, och detta visar att det inte alltid är så, "sade Stephen Forrest, Peter A. Franken Distinguished University Professor of Engineering och Paul G. Goebel Professor of Engineering vid U-M, som ledde forskningen.

Till skillnad från de oorganiska solceller som ofta används idag, organiska kan vara gjorda av billiga, flexibla kolbaserade material som plast. Tillverkare kan riva ut rullar av dem i en mängd olika färger och konfigurationer, lamineras diskret i nästan vilken yta som helst.

Organics notoriskt dåliga konduktivitet, dock, har bromsat forskningen. Forrest tror att denna upptäckt kan förändra spelet. Resultaten är detaljerade i en studie publicerad 17 januari Natur .

Teamet visade att ett tunt lager fullerenmolekyler - de nyfikna runda kolmolekylerna även kallade Buckyballs - kan göra det möjligt för elektroner att resa upp till flera centimeter från den punkt där de slås loss av en foton. Det är en dramatisk ökning; i dagens organiska celler, elektroner kan färdas bara några hundra nanometer eller mindre.

Elektroner, flytta från en atom till en annan, bilda den elektriska strömmen i en solcell eller elektronisk komponent. Material som kisel, används i dagens oorganiska solceller och andra halvledare, har tätt bundna atomnät som gör det enkelt för elektroner att resa genom materialet.

Men organiska material har mycket lösare bindningar mellan enskilda molekyler, som kan fånga elektroner. Detta har länge varit en akilleshäl av organiska, men den nya upptäckten visar att det kan vara möjligt att justera deras ledande egenskaper för specifika applikationer.

Möjligheten att få elektroner att röra sig mer fritt i organiska halvledare kan ha långtgående konsekvenser. Till exempel, ytan på dagens organiska solceller måste täckas med en ledande elektrod som samlar elektroner vid den punkt där de ursprungligen genereras. Men fritt rörliga elektroner kan samlas in långt ifrån deras ursprungspunkt. Detta kan göra det möjligt för tillverkare att krympa den ledande elektroden till ett osynligt nät, banar väg för transparenta celler som kan användas på fönster och andra ytor.

"Denna upptäckt ger oss i huvudsak en ny vred att vrida när vi designar organiska solceller och andra organiska halvledaranordningar, sa Quinn Burlingame, en forskare och forskare på elektroteknik och datavetenskap vid U.M. "Möjligheten till långträckt elektrontransport öppnar många nya möjligheter inom enhetsarkitektur."

Burlingame säger att den första upptäckten av fenomenet kom som något av en olycka när laget experimenterade med organisk solcellsarkitektur i hopp om att öka effektiviteten. Med hjälp av en vanlig teknik som kallas vakuum termisk avdunstning, de lagrade i en tunn film av C60-fullerener-var och en av 60 kolatomer-ovanpå en organisk cells kraftproducerande lager, där fotonerna från solljus slår elektroner loss från sina associerade molekyler. Ovanpå fullerenerna, de lägger ytterligare ett lager för att förhindra att elektronerna flyr.

De upptäckte något som de aldrig tidigare sett i en organisk - elektroner skittrade obehindrat genom materialet, även utanför cellens kraftgenererande område. Genom månader av experiment, de bestämde att fullerenskiktet bildade det som kallas en energibrunn-ett lågenergiområde som förhindrar att de negativt laddade elektronerna rekombineras med de positiva laddningarna som finns kvar i det kraftproducerande skiktet.

"Du kan tänka dig en energibrunn som en slags kanjon - elektroner faller ner i den och kan inte komma ut igen, "sa Caleb Cobourn, en forskare vid UM-institutionen för fysik och en författare till studien. "Så de fortsätter att röra sig fritt i fullerenskiktet istället för att återkombinera i det kraftproducerande skiktet, som de normalt skulle. Det är som en massiv antenn som kan samla en elektronladdning var som helst i enheten. "

Forrest varnar för att utbredd användning av upptäckten i applikationer som solceller är teoretisk vid denna tidpunkt. Men, han är upphetsad över upptäcktens större konsekvenser för att förstå och utnyttja egenskaperna hos organiska halvledare.

"Jag tror att allestädes närvarande solenergi är nyckeln till att driva vår ständigt uppvärmda och allt mer trånga planet, och det betyder att man sätter solceller på vardagliga föremål som att bygga fasader och fönster, "Sa Forrest." Teknik som denna kan hjälpa oss att producera kraft på ett sätt som är billigt och nästan osynligt. "

Studien har titeln "Centimeter-skala elektrondiffusion i fotoaktiva organiska heterostrukturer." Forskningen stöddes av U.S. Department of Energy SunShot Program och av Air Force Office of Scientific Research.