有机太阳能电池能否取代硅基电池?研究人员清除障碍，效率有望达到 20%以上

　　研究人员已经确定了导致有机太阳能电池效率较低的关键机制，并展示了可以克服这一障碍的方法。

　　由剑桥大学领导的国际研究小组发现了有机太阳能电池中的一条损耗途径，这使得它们在将阳光转化为电能方面的效率低于硅基电池。此外，他们确定了一种通过操纵太阳能电池内部的分子来抑制这种途径的方法，以防止电流通过不良状态(称为三线态激子)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与硅基电池在效率方面进行更密切的竞争。

　　有机太阳能电池具有柔性、半透明和廉价的特点，可以极大地扩展太阳能技术的应用范围。它们可以包裹在建筑物的外部，可用于有效回收室内照明所用的能源，而传统的硅面板则无法实现这两种方式。它们的生产也更加环保。

　　该论文的第一作者、剑桥卡文迪什实验室的AlexanderGillett博士说，有机太阳能电池可以做很多无机太阳能电池不能做的事情，但近年来它们的商业发展停滞不前，部分原因是它们的效率低下。典型的硅基太阳能电池可以达到高达20%至25%的效率，而有机太阳能电池在实验室条件下可以达到约19%的效率，而实际效率约为10%至12%。

　　有机太阳能电池通过松散地模仿植物光合作用的自然过程来发电，但它们最终使用太阳的能量来发电，而不是将二氧化碳和水转化为葡萄糖。当光粒子或光子撞击太阳能电池时，电子会被光激发并在材料的电子结构中留下一个“洞”。这种激发的电子和空穴的组合被称为激子。如果可以克服激子中带负电的电子和带正电的空穴之间的相互吸引力，类似于磁铁的正负极之间的吸引力，则可以将这些电子和空穴作为电流收集。

　　然而，太阳能电池中的电子可能会通过称为复合的过程丢失，在这个过程中，电子失去能量——或激发态——并回到空的“空穴”状态。由于碳基材料中电子和空穴之间的吸引力比硅强，因此有机太阳能电池更容易复合，进而影响其效率。这需要使用两种成分来阻止电子和空穴快速复合：电子“供体”材料和电子“受体”材料。

　　使用光谱学和计算机建模的组合，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与特定类型激子(称为三线态激子)的复合引起的。

　　在有机太阳能电池中，三重态激子存在一个难以克服的问题，因为它们在能量上有利于由电子和空穴形成。研究人员发现，通过设计电子供体和电子受体材料之间的强分子相互作用，可以使电子和空穴进一步分开，防止复合成三重态激子的发生。

　　计算模型表明，通过以这种方式调整有机太阳能电池的组件，这些三重激子态复合的时间尺度可以减少一个数量级，从而实现更高效的太阳能电池操作。

　　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失路径这一事实确实令人惊讶，吉列特说，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具有强分子相互作用的下一代供体和受体材料来抑制这种损失途径，来自加州大学圣巴巴拉分校的合著者Thuc-QuyenNguyen博士说，这项工作展示了实现更高设备效率的前进道路。

　　研究人员表示，他们的方法提供了一种明确的策略，通过阻止复合成三重激子态，实现效率达到20%或更高的有机太阳能电池不是梦。作为研究的一部分，作者还能够为电子供体和电子受体材料提供设计规则以实现这一目标。他们相信，这些指导方针将使化学小组能够设计出阻止复合成三重态激子的新材料，从而实现效率更接近硅的有机太阳能电池。