Only Perception: 塑膠電子學可大幅削減太陽能板成本

2010-10-22

塑膠電子學可大幅削減太陽能板成本

Plastic electronics could slash the cost of solar panels
http://www.physorg.com/news189183104.html

By Chris Emery, March 30, 2010

(PhysOrg.com) -- 普林斯頓（Princeton）大學工程師為生產導電塑膠所開發的一項新技術能大幅降低太陽能板的製造成本。

藉由克服技術性障礙以生產塑膠（那是半透明、具延展性且能導電的），研究者們為此材料在電子裝置中的廣泛用途開啟了大門。

隨著全球暖化與能源需求的相關疑慮逐漸增加，塑膠能成為一種廉價的銦錫氧化物（ITO，研究者表示那是一種昂貴的導電材料，目前用於太陽能板）替代品。

"導電聚合物（塑膠）存在已久，但加工它們以製造某些有用東西的製程會減少它們導電的能力，" Yueh-Lin Loo 說，一位化工副教授，她領導這個普林斯頓團隊。"我們想出如何避免這種交換條件。我們能將塑膠塑成有用的形狀同時維持高導電性。"

一個多系所團隊在一篇發表於 3/8 PNAS 網站上的論文中報告她們的新技術。

這個研究領域之所以稱為「有機電子學（organic electronics）」，是因為塑膠如活著的生物是碳基的，可望生產新型電子裝置以及製造現有技術的新方法，但受到與可塑形塑膠（moldable plastics）相關的神祕導電性喪失而受阻。

"人們並不了解發生了什麼事，" Loo 說，她共同寫了這篇論文。"我們發現，在使聚合物可塑形的時候，它們的結構受限於某種嚴密的（rigid）形態，那阻止電子移動通過它們。"

一旦他們了解問題根本，Loo 與她的同僚發展出一種方法，在塑膠被加工成想要的形狀後，以某種酸來處理它們，使其結構「鬆弛」。

利用這種方法，她們能夠製造出塑膠電晶體，電子學中的基本元件，用於擴大及開關電子訊號。她們將塑膠列印到表面，藉此製造電晶體的電極 -- 這是一種快速且便宜的方法，與一台噴墨印表機在一張紙上列印圖案類似。

Loo 表示，此技術有被放大至大量生產印刷的潛力，類似印報所用的那些。"能實質「畫上」電極是一件了不起的大事，" Loo 表示。 "你能以銷售墨水的方式，在匣中販售它們，而且你不需要奇怪的機器就能印出這些圖樣。"

能以低成本的列印技術來製造塑膠太陽能電池，並將主要的導電性材料 ITO 給取代掉，這個團隊所開發的塑膠具有降低太陽能板成本的潛力。

目前，由塑膠太陽能電池所產生的電力是由 ITO 所製成的透明金屬導體所收集。導體得要透明，日光才能通過它抵達太陽能電池裡可吸收光能的材料。

身為採礦業罕見且昂貴的副產品，ITO 的需求量因為用於平面電視、手機以及其他具顯示器的裝置中而增加。"銦錫氧化物的成本正在猛漲中，" Loo 表示。"為了減少塑膠太陽能電池的成本，我們需要找到 ITO 的替代品。我們的導電塑膠允許日光通過它們，使得它們成一種可行的選項。"

研究者預期，這些塑膠也能取代用於其他電子裝置中的昂貴金屬，例如彈性顯示器（flexible displays）。此外，科學家也正在探索將此塑膠用於生物感應器中，若某人受到感染能顯示出特定顏色。例如，當暴露於一氧化氮（NO）時塑膠變黃，在小孩耳朵感染期間會製造出這種化學物質。

如果這些裝置能以低成本製造，它們也許在缺乏先進醫療設施的開發中國家很有用。"你也許不再需要任何精緻的機器或實驗室設備來診斷感染，" Loo 說，"你需要的只是你的眼睛，用來觀看這些塑膠的顏色變化。"

※ 稀土再見？

＊ Directly patternable, highly conducting polymers for broad applications in organic electronics
http://www.pnas.org/content/107/13/5712.abstract

Joung Eun Yoo, Kwang Seok Lee, Andres Garcia, Jacob Tarver,
Enrique D. Gomez, Kimberly Baldwin, Yangming Sun, Hong Meng,
Thuc-Quyen Nguyen, and Yueh-Lin Loo
PNAS March 30, 2010 vol. 107 no. 13 5712-5717
Published online before print March 8, 2010,
doi: 10.1073/pnas.0913879107

Postdeposition solvent annealing of water-dispersible conducting polymers induces dramatic structural rearrangement and improves electrical conductivities by more than two orders of magnitude. We attain electrical conductivities in excess of 50 S/cm when polyaniline films are exposed to dichloroacetic acid. Subjecting commercially available poly(ethylene dioxythiophene) to the same treatment yields a conductivity as high as 250 S/cm. This process has enabled the wide incorporation of conducting polymers in organic electronics; conducting polymers that are not typically processable can now be deposited from solution and their conductivities subsequently enhanced to practical levels via a simple and straightforward solvent annealing process. The treated conducting polymers are thus promising alternatives for metals as source and drain electrodes in organic thin-film transistors as well as for transparent metal oxide conductors as anodes in organic solar cells and light-emitting diodes.