有機(jī)太陽能電池能否取代硅基電池?研究人員清除障礙，效率有望達(dá)到 20%以上

　　研究人員已經(jīng)確定了導(dǎo)致有機(jī)太陽能電池效率較低的關(guān)鍵機(jī)制，并展示了可以克服這一障礙的方法。

　　由劍橋大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組發(fā)現(xiàn)了有機(jī)太陽能電池中的一條損耗途徑，這使得它們?cè)趯㈥柟廪D(zhuǎn)化為電能方面的效率低于硅基電池。此外，他們確定了一種通過操縱太陽能電池內(nèi)部的分子來抑制這種途徑的方法，以防止電流通過不良狀態(tài)(稱為三線態(tài)激子)損失。

　　他們的研究結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上，表明有機(jī)太陽能電池有可能與硅基電池在效率方面進(jìn)行更密切的競(jìng)爭(zhēng)。

　　有機(jī)太陽能電池具有柔性、半透明和廉價(jià)的特點(diǎn)，可以極大地?cái)U(kuò)展太陽能技術(shù)的應(yīng)用范圍。它們可以包裹在建筑物的外部，可用于有效回收室內(nèi)照明所用的能源，而傳統(tǒng)的硅面板則無法實(shí)現(xiàn)這兩種方式。它們的生產(chǎn)也更加環(huán)保。

　　該論文的第一作者、劍橋卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的AlexanderGillett博士說，有機(jī)太陽能電池可以做很多無機(jī)太陽能電池不能做的事情，但近年來它們的商業(yè)發(fā)展停滯不前，部分原因是它們的效率低下。典型的硅基太陽能電池可以達(dá)到高達(dá)20%至25%的效率，而有機(jī)太陽能電池在實(shí)驗(yàn)室條件下可以達(dá)到約19%的效率，而實(shí)際效率約為10%至12%。

　　有機(jī)太陽能電池通過松散地模仿植物光合作用的自然過程來發(fā)電，但它們最終使用太陽的能量來發(fā)電，而不是將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為葡萄糖。當(dāng)光粒子或光子撞擊太陽能電池時(shí)，電子會(huì)被光激發(fā)并在材料的電子結(jié)構(gòu)中留下一個(gè)“洞”。這種激發(fā)的電子和空穴的組合被稱為激子。如果可以克服激子中帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴之間的相互吸引力，類似于磁鐵的正負(fù)極之間的吸引力，則可以將這些電子和空穴作為電流收集。

　　然而，太陽能電池中的電子可能會(huì)通過稱為復(fù)合的過程丟失，在這個(gè)過程中，電子失去能量——或激發(fā)態(tài)——并回到空的“空穴”狀態(tài)。由于碳基材料中電子和空穴之間的吸引力比硅強(qiáng)，因此有機(jī)太陽能電池更容易復(fù)合，進(jìn)而影響其效率。這需要使用兩種成分來阻止電子和空穴快速?gòu)?fù)合：電子“供體”材料和電子“受體”材料。

　　使用光譜學(xué)和計(jì)算機(jī)建模的組合，研究人員能夠跟蹤有機(jī)太陽能電池的工作機(jī)制，從光子的吸收到重組。他們發(fā)現(xiàn)有機(jī)太陽能電池中的一個(gè)關(guān)鍵損失機(jī)制是由與特定類型激子(稱為三線態(tài)激子)的復(fù)合引起的。

　　在有機(jī)太陽能電池中，三重態(tài)激子存在一個(gè)難以克服的問題，因?yàn)樗鼈冊(cè)谀芰可嫌欣谟呻娮雍涂昭ㄐ纬伞Ｑ芯咳藛T發(fā)現(xiàn)，通過設(shè)計(jì)電子供體和電子受體材料之間的強(qiáng)分子相互作用，可以使電子和空穴進(jìn)一步分開，防止復(fù)合成三重態(tài)激子的發(fā)生。

　　計(jì)算模型表明，通過以這種方式調(diào)整有機(jī)太陽能電池的組件，這些三重激子態(tài)復(fù)合的時(shí)間尺度可以減少一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)更高效的太陽能電池操作。

　　我們可以利用太陽能電池中組件之間的相互作用來關(guān)閉三重態(tài)激子損失路徑這一事實(shí)確實(shí)令人驚訝，吉列特說，我們的方法展示了如何操縱分子來阻止重組的發(fā)生。

　　現(xiàn)在，合成化學(xué)家可以設(shè)計(jì)具有強(qiáng)分子相互作用的下一代供體和受體材料來抑制這種損失途徑，來自加州大學(xué)圣巴巴拉分校的合著者Thuc-QuyenNguyen博士說，這項(xiàng)工作展示了實(shí)現(xiàn)更高設(shè)備效率的前進(jìn)道路。

　　研究人員表示，他們的方法提供了一種明確的策略，通過阻止復(fù)合成三重激子態(tài)，實(shí)現(xiàn)效率達(dá)到20%或更高的有機(jī)太陽能電池不是夢(mèng)。作為研究的一部分，作者還能夠?yàn)殡娮庸w和電子受體材料提供設(shè)計(jì)規(guī)則以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。他們相信，這些指導(dǎo)方針將使化學(xué)小組能夠設(shè)計(jì)出阻止復(fù)合成三重態(tài)激子的新材料，從而實(shí)現(xiàn)效率更接近硅的有機(jī)太陽能電池。