堪萨斯大学研发的突破性材料可造就更便宜、更广泛的太阳能电池板和电子产品

作者：University of Kansas

想象一下，用一台简单的喷墨打印机打印电子设备，甚至在建筑物的墙上画一块太阳能板。

这项技术将大大降低制造电子设备的成本，并使新的方法将它们融入我们的日常生活。在过去的二十年里，一种由分子或聚合物制成的被称为有机半导体的材料已经被开发出来用于这种用途。但这些材料的一些特性构成了限制其广泛使用的主要障碍。

堪萨斯大学物理与天文学副教授陈伟伦（音译）说：“在这些材料中，电子通常与对应的“空穴”电子结合在一起，不能自由移动。”所谓的“自由电子”，在材料中自由移动并导电，是罕见的，不能通过光吸收轻易产生。这阻碍了这些有机材料在太阳能电池板等应用中的使用，因为用这些材料制造的电池板通常性能较差。”

由于这个问题，陈说“释放电子”一直是开发太阳能电池、光传感器和许多其他光电应用的有机半导体的焦点。

现在，由物理学和天文学陈教授和赵辉（音译）领导的堪萨斯大学的两个物理研究小组，将有机材料与最近发现的二维（2D）半导体二硫化钼（MoS2）的单原子层结合，有效地从有机半导体中产生了自由电子。

引入的二维层允许电子从“空穴”中逃逸并自由移动。这一发现刚刚发表在《美国化学学会杂志》上，该杂志是化学和科学界的前沿期刊。

在过去的几年里，许多研究人员一直在研究如何有效地从混合有机二维界面产生自由电荷。

陈说：“一个普遍的假设是，只要电子能在相对较短的时间内从一种材料转移到另一种材料，就可以从界面产生自由电子，时间不到1万亿分之一秒。然而，我和我的研究生Tika Kafle和Bhupal Kattel发现，超快电子转移本身的存在不足以保证从光吸收中产生自由电子。这是因为“空穴”可以阻止电子离开界面。电子能否摆脱这种束缚力取决于界面附近的局部能量分布。”

陈说，电子的能量分布可以看作是一座山的地形图。

他说：“一个徒步旅行者根据高度等值线图选择自己的路线。同样，电子在两种材料之间的界面上的运动是由界面附近的电子能量分布控制的。”

陈和赵的发现将有助于开发如何设计“景观”的一般原则，以释放这种混合材料中的电子。

这项发现是由两个高度互补的实验工具组合而成，它们是基于超快激光、陈氏实验室的时间分辨光发射光谱和赵氏实验室的瞬态光吸收。这两个实验装置都位于综合科学大楼的地下室。

在时间分辨的光发射光谱实验中，Kafle使用了一个超短的激光脉冲来触发电子的运动，该脉冲只存在10万亿分之一秒（10-14）。使用如此短的脉冲的好处是研究人员精确地知道电子旅行的开始时间。然后，Kafle用另一个超短激光脉冲在相对于第一个脉冲精确控制的时间再次撞击样品。第二个脉冲的能量足以将这些电子从样品中激发出来。通过测量这些电子的能量（现在在真空中），并利用能量守恒原理，研究人员能够在电子被踢出之前计算出它们的能量，从而揭示出这些电子被第一个脉冲击中后的旅程。这项技术解决了光吸收后被激发电子穿过界面时的能量问题。由于第二个脉冲只能释放样品前表面附近的电子，因此电子相对于界面的位置也以原子精度显示出来。

在瞬态光吸收测量中，彭耀（访问学生）和堪萨斯大学研究生Peymon Zereshki（均在赵的指导下）也采用了双脉冲技术，第一个脉冲以同样的方式启动电子运动。然而，在他们的测量中，第二个脉冲通过检测从样品反射的第二个脉冲的分数来监控电子，而不是踢出电子。

“因为光可以穿透更长的距离，所以测量可以探测样品整个深度的电子，因此为第一种更“表面敏感”的技术提供补充信息，”赵说。这些详细的测量使我们能够重建电子的轨迹，并确定能够有效产生自由电子的条件。”