研究人员已经发现了导致有机太阳能电池效率较低的关键机制，并展示了一种可能克服这一障碍的方法。
由剑桥大学领导的研究人员在有机太阳能电池中发现了一种损耗途径，这种途径使得有机太阳能电池在将阳光转化为电能方面的效率低于硅基电池。此外，他们还发现了一种抑制这一途径的方法，即通过操纵太阳能电池内部的分子来防止电流通过一种不受欢迎的状态(称为三重态激子)而损失。
他们的研究结果发表在《自然》杂志上，表明有机太阳能电池有可能在效率方面与硅基电池展开更激烈的竞争。
有机太阳能电池灵活、半透明、廉价，米果系统可以极大地扩展太阳能技术的应用范围。它们可以被包裹在建筑物的外部，还可以有效地回收用于室内照明的能源，而传统的硅板都不可能做到这一点。它们的生产也更加环保。
该论文的第一作者、剑桥大学卡文迪什实验室的亚历山大·吉列特博士说:“有机太阳能电池可以做无机太阳能电池不能做的很多事情，但近年来它们的商业开发已经停滞不前，部分原因是它们的效率较低。”“一个典型的硅基太阳能电池可以达到20 - 25%的效率，而有机太阳能电池在实验室条件下可以达到19%左右的效率，而现实世界的效率约为10 - 12%。”
有机太阳能电池通过大致模拟植物的自然光合作用过程来发电，但它们最终使用太阳能来发电，而不是将二氧化碳和水转化为葡萄糖。当一个光粒子或光子撞击太阳能电池时，一个电子会被光激发，并在材料的电子结构中留下一个“空穴”。这个被激发的电子和空穴的结合称为激子。如果激子中带负电荷的电子和带正电荷的空穴之间的相互吸引(类似于磁铁的正负两极之间的吸引)能够被克服，就有可能以电流的形式收集这些电子和空穴。
3456wg然而，太阳能电池中的电子可以通过一种称为重组的过程丢失，在这个过程中，电子失去了它们的能量——或激发态——然后回到空的“空穴”态。由于碳基材料中电子和空穴之间的吸引力比硅更强，有机太阳能电池更容易重组，进而影响其效率。这就需要使用两种元件来阻止电子和空穴快速重组:一种电子“供体”材料和一种电子“受体”材料。
利用光谱学和计算机建模的结合，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一种特殊类型的激子(被称为三重态激子)的重组引起的。
在有机太阳覆盖越狱电池中，三重态激子是一个难以克服的问题，因为它有利于它们从电子和空穴形成。研究人员发现，通过在电子给予体和电子接受体材料之间设计强的分子相互作用，可以使电子和空穴进一步分离，从而防止重新组合成三重态激子的发生。
计算模型表明，通过这种方式调整有机太阳能电池的组件，重组到这些三重态激子状态的时间尺度可以降低一个数量级，从而允许更高效的太阳能电池运行。
“事实上，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耗路径，这真的很令人惊讶，”Gillett说。“我们的方法展示了如何操纵分子来阻止重组的发生。”
“现在，合成化学家可以设计出具有强分子相互作用的下一代施主和受体材料，以抑制这种损失途径，”合著者、加州大学圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)的Thuc-Quyen Nguyen博士说。“这项工作展示了实www 32rrr com现更高设备效率的前进道路。”
研究人员说，他们的方法提供了一种清晰的策略，通过阻止重组进入三重态激子状态，来实现有机太阳能电池20%或更多的效率。作为他们研究的一部分，作者也能够提供电子供体和电子受体材料的设计规则来实现这一目标。他们相信，这些指导方针将允许化学小组设计新的材料，阻止重组为三态激子，使有机太阳能电池的效率接近于硅的实现。
参考:
Alexander J. Gillett等人。有机太阳能电池中电荷重组对三重态激子的作用自然(2021)。DOI: 10.1038 / s41586 - 021 - 03840 - 5