研究人員已經(jīng)確定了導(dǎo)致有機太陽能電池效率較低的關(guān)鍵機制，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)的國際研究小組發(fā)現(xiàn)了有機太陽能電池中的一條損耗途徑，這使得它們在將陽光轉(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，表明有機太陽能電池有可能與硅基電池在效率方面進行更密切的競爭。

有機太陽能電池具有柔性、半透明和廉價的特點，可以極大地擴展太陽能技術(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、劍橋卡文迪什實驗室的AlexanderGillett博士說，有機太陽能電池可以做很多無機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到高達20%至25%的效率，而有機太陽能電池在實驗室條件下可以達到約19%的效率，而實際效率約為10%至12%。

有機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。當光粒子或光子撞擊太陽能電池時，電子會被光激發(fā)并在材料的電子結(jié)構(gòu)中留下一個“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通過稱為復(fù)合的過程丟失，在這個過程中，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，因此有機太陽能電池更容易復(fù)合，進而影響其效率。這需要使用兩種成分來阻止電子和空穴快速復(fù)合：電子“供體”材料和電子“受體”材料。

使用光譜學(xué)和計算機建模的組合，研究人員能夠跟蹤有機太陽能電池的工作機制，從光子的吸收到重組。他們發(fā)現(xiàn)有機太陽能電池中的一個關(guān)鍵損失機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。

在有機太陽能電池中，三重態(tài)激子存在一個難以克服的問題，因為它們在能量上有利于由電子和空穴形成。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過設(shè)計電子供體和電子受體材料之間的強分子相互作用，可以使電子和空穴進一步分開，防止復(fù)合成三重態(tài)激子的發(fā)生。

計算模型表明，通過以這種方式調(diào)整有機太陽能電池的組件，這些三重激子態(tài)復(fù)合的時間尺度可以減少一個數(shù)量級，從而實現(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確實令人驚訝，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)計具有強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，這項工作展示了實現(xiàn)更高設(shè)備效率的前進道路。

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)，實現(xiàn)效率達到20%或更高的有機太陽能電池不是夢。作為研究的一部分，作者還能夠為電子供體和電子受體材料提供設(shè)計規(guī)則以實現(xiàn)這一目標。他們相信，這些指導(dǎo)方針將使化學(xué)小組能夠設(shè)計出阻止復(fù)合成三重態(tài)激子的新材料，從而實現(xiàn)效率更接近硅的有機太陽能電池。