一国际团队已经确定导致有机太阳能电池效率低下的关键机制

加州大学圣巴巴拉分校和其他八家机构的研究人员已经确定了导致有机太阳能电池效率低下的关键机制，并展示了可以克服这一障碍的方法。他们的研究结果发表在《自然》杂志上，表明有可能开发出效率与硅基电池相当的有机太阳能电池。

该团队确定了有机太阳能电池中电流损失的途径，这使得它们在将阳光转化为电能方面的效率低于硅基电池。他们发现了一种通过操纵太阳能电池内部的分子来抑制这种情况的方法，以防止导致电流损失的不良状态。这是一项广泛的工作，需要很长时间来收集数据。该研究的通讯作者之一Thuc-Quyen Nguyen说仅审查和修订就花了一年半的时间。

有机太阳能电池灵活、重量轻、半透明且价格低廉——这些特性意味着电池可以极大地扩展太阳能技术的应用范围。例如，有机太阳能电池可以包裹在建筑物的外部或涂在玻璃窗和温室上，以产生用于室内照明的能量，而传统的硅面板则无法实现这些。它们的生产也更加环保。例如，它们比硅太阳能电池薄 1,000 倍，并且可以通过印刷、卷对卷涂布、喷涂等溶液加工方法在低温下生产。

有机太阳能电池可以做很多无机太阳能电池不能做的事情，但近年来它们的商业发展停滞不前，部分原因是它们的效率低下，典型的硅基太阳能电池可以达到高达 20% 至 25% 的效率，而有机太阳能电池在实验室条件下可以达到约 19% 的效率，而实际效率约为 10% 至 12%。

有机太阳能电池通过松散地模仿植物光合作用的自然过程来发电，但它们最终使用太阳的能量来发电，而不是将二氧化碳和水转化为葡萄糖。当光子撞击太阳能电池时，它会激发一个电子，并在材料的电子结构中留下一个“洞”。这种激发的电子和空穴的组合被称为激子。如果能够克服带负电的电子和带正电的空穴之间的相互吸引，就有可能将这些电子和空穴作为电流收集起来。

然而，太阳能电池中的电子会在称为电荷复合的过程中失去能量并落回空“洞”。有机太阳能电池更容易复合，因为与硅相比，碳基材料中的电子和空穴之间的吸引力更强。这反过来又会影响他们的效率。研究人员使用两种成分来防止电子与空穴复合。

使用光谱学和计算机建模的组合，研究人员能够跟踪有机太阳能电池的工作机制，从光子的吸收到重组。他们发现有机太阳能电池中的一个关键损失机制是由与特定类型激子（称为三线态激子）的复合引起的。

在有机太阳能电池中，三线态激子是一个难以克服的问题，因为它们在能量上是有利的。研究人员发现，通过设计电子供体和电子受体材料之间的强分子相互作用，可以使电子和空穴进一步分开，防止三重态激子的形成。 

该项目始于加州大学圣巴巴拉分校和剑桥大学团队之间的合作。这项工作凸显了合作研究对推进科学发展的重要性。

研究人员说：我们可以利用太阳能电池中组件之间的相互作用来关闭三重态激子损失路径这一事实确实令人惊讶。新方法展示了如何操纵分子以阻止重组的发生。

研究人员表示，他们的方法提供了一种明确的策略，通过阻止复合成三重激子态，实现效率达到 20% 或更高的有机太阳能电池。作为研究的一部分，作者还能够为电子供体和电子受体材料提供设计规则以实现这一目标。 

该领域的下一个障碍是提高有机太阳能电池的寿命。该团队目前正在努力通过材料工程解决这个问题。

现在，合成化学家可以设计具有强分子相互作用的下一代供体和受体材料，以抑制这种损失途径，这项工作展示了开发效率更接近硅基电池的有机太阳能电池的前进道路。获取更多前沿科技 研究进展 访问：https://byteclicks.com

Thuc-Quyen Nguyen 与灵活的太阳能电池