研究人員已經(jīng)確定了導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。
由劍橋大學領導的國際研究小組發(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 Alexander Gillett 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合的過程丟失，在該過程中，電子失去能量 - 或激發(fā)態(tài) - 并回落到空的“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合：電子“供體”材料和電子“受體”材料。
使用光譜學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)的復合引起的。
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