有机半导体新突破：效率翻倍！

2019 年 1 月 17 日 IntelligentThings

导读

近日，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员们发现了一种新的简单调整方案，它可以让有机电子器件的效率翻倍。OLED显示器、塑料基太阳能电池、生物电子器件等技术将从这项“双掺杂”聚合物的新发现中获益。

背景

我们日常使用的大部分电子器件是基于无机半导体，例如硅。一项称为“掺杂（doping）”的工艺，对于它们的功能来说至关重要。掺杂是半导体制造工艺中，为纯的本征半导体引入杂质，使其电气、光学、结构属性被改变的过程，例如将杂质掺入半导体中增加其导电性。引入的杂质与要制造的半导体种类有关。掺杂工艺保证了太阳能电池与LED显示屏中的各种元器件的工作。

然而，在无机半导体之外，近年来有机半导体也备受科学界追捧。顾名思义，有机半导体是由有机材料制成。从导电塑料和聚合物被发现（这个领域的研究获得了2000年的诺贝尔奖）时起，有机电子的研发被迅速地加速。有机半导体具有成本低、易制造、轻量、柔性、透明、环境友好等优势。

柔性、有机、可生物降解的电子器件（图片来源：斯坦福大学 / Bao lab）

在有机半导体中，OLED显示屏是一个已经上市的例子。例如，最新一代的智能手机已经集成了OLED显示屏。

德国弗劳恩霍夫协会开发的采用OLED技术的智能眼镜显示屏（图片来源：弗劳恩霍夫协会电子射线和等离子技术研究所）

除此之外，有机半导体也带来了一些其他的应用，例如：

柔性、透明的有机太阳能电池（图片来源：MIT）

柔性的有机闪速存储器（图片来源：KAIST）

然而，迄今为止，其他的应用还没有得到完全实现或者说上市，其中部分的原因是：目前有机半导体的效率还不够高。

对于有机（碳基）半导体来说，“掺杂”工艺也非常重要。有机半导体的“掺杂”是通过所谓的“氧化还原反应”来进行的。这意味着掺杂剂分子接收了来自半导体的电子，增加了半导体的导电性。与半导体起化学反应的掺杂剂越多，导电性就越高。导电性至少会高到一定的限度，在这个限度之后，导电性会降低。目前，每个掺杂剂分子只能交换一个电子，这一事实决定了掺有杂质的有机半导体的效率极限。

创新

但是，前不久，在一篇发表在科学期刊《自然材料（Nature Materials）》上的论文中，Christian Müller 教授及其研究小组和来自其他七个大学的同事们一起演示了向每个掺杂剂分子中转移两个电子。

论文第一作者、研究小组中的博士生 David Kiefer 表示：“通过这种‘双掺杂’工艺，半导体的效率可以翻倍。”

（图片来源：Johan Bodell/查尔姆斯理工大学）

技术

Christian Müller 称，这项创新并不是建造在某些伟大的技术成就之上。相反，它就是一个“见他人之所未见”的案例。

查尔姆斯理工大学聚合物科学教授 Christian Müller 表示：“整个研究领域都一直在完全集中精力研究每个分子只进行一次氧化还原反应的材料。我们选择去研究一种不同的聚合物，它具有更低的电离能量。我们观察到，这种材料可将两个电子转移到掺杂剂分子中。实际上，它非常简单。”

价值

这项发现有望进一步提升目前没有足够市场竞争力的技术。其中一个问题就是：聚合物导电性不够好。所以，为了实现更好的聚合物基电子器件，科研人员一直集中精力研究如何让掺杂技术变得更高效。现在，这种聚合物导电性翻倍，同时只采用相同剂量的掺杂剂材料，应用在与过去相同的表面上，代表了几种新兴技术商业化所需的临界点。

Christian Müller 表示：“对于OLED显示器来说，这项开发已经进展得足够远，它们已经上市。但是，其他技术要想也取得成功并走向市场，还需要进一步开发。例如，对于有机太阳能电池或者有机材料制成的电子电路来说，我们需要将特定的元器件掺杂到与硅基电子器件同样的程度。我们的方案在正确的方向上迈出了一步。”

有机电子器件的示例：柔性太阳能电池（左, 由Epishine AB提供）、电子纸（中）、压电织物（右）。（图片来源：Johan Bodell/查尔姆斯理工大学）

这项发现提供了基本知识，并将帮助数以千计的研究人员在柔性电子、生物电子和热电领域取得进展。Christian Müller 的研究小组以聚合物技术为中心，研究了几种不同的应用领域。另外，他的小组也在开发导电织物与有机太阳能电池。

“双掺杂”将提升柔性太阳能电池（由Epishine AB提供）的采光效率。（图片来源：Johan Bodell/查尔姆斯理工大学）

关键字

半导体、柔性电子、有机电子、OLED

参考资料

【1】http://www.mynewsdesk.com/uk/chalmers/pressreleases/breakthrough-in-organic-electronics-2816939?utm_source=rss&utm_medium=rss&utm_campaign=Subscription&utm_content=pressrelease

【2】http://dx.doi.org/10.1038/s41563-018-0263-6