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(jī)太陽能電池有可能與硅基電池在效率方面進(jìn)行更密切的競爭。
有機(jī)太陽能電池具有柔性、半透明和廉價的特點，可以極大地擴(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(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)太陽能電池在實驗室條件下可以達(dá)到約 19% 的效率，而實際效率約為 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，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(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通過稱為復(fù)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(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(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。
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