美國賓夕法尼亞大學(xué)研究人員對于電荷分離基礎(chǔ)科學(xué)的新認(rèn)識，為生產(chǎn)更便宜的有機(jī)太陽能電池提供了可能。他們建議在未來改進(jìn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)高效的太陽能電池。最新的研究成果已發(fā)表于Nature Communications雜志上。

現(xiàn)如今，有機(jī)太陽能電池最高的效率大約為實(shí)驗(yàn)室規(guī)模數(shù)據(jù)的10%，這一數(shù)字遠(yuǎn)低于基于無機(jī)單晶硅的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)高效有機(jī)電池的一個挑戰(zhàn)在于，分離由一個帶負(fù)電荷的電子和其帶正電的空穴所組成的電子-空穴對，這被統(tǒng)稱為激子。電子和空穴需要被分離，以產(chǎn)生電流。

實(shí)現(xiàn)這一過程的方法是通過創(chuàng)建一個異質(zhì)結(jié)，使兩個不同的有機(jī)半導(dǎo)體彼此相鄰，其中一個失去一個電子，而另一個得到一個電子，這樣可以分裂原有的激子。但是在該領(lǐng)域一個長期存在的問題是，怎樣使電子和空穴徹底分離以產(chǎn)生電流，使得能夠在大多數(shù)太陽能電池中觀察到其效率。

在過去的幾年中，一個新的視角被提出，即依賴于量子效應(yīng)的高分離效率，電子或空穴在同一時間以波浪態(tài)存在于散布在附近的幾個分子中，這樣電荷可以更容易地被分離。賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員提供了新證據(jù)來支持這種解釋，并確定了由C60分子組成的常見受體材料納米結(jié)晶（也被稱為富勒烯或巴基球），是實(shí)現(xiàn)離域作用發(fā)生的關(guān)鍵。



圖片：有機(jī)太陽能電池上的納米富勒烯分子

這種晶體結(jié)構(gòu)對于有機(jī)太陽能電池的有效光電流產(chǎn)生是至關(guān)重要的。研究人員指出，一般觀點(diǎn)認(rèn)為，這需要一大堆多余的能量分裂激子，這就意味著在供體和受體材料之間必須有一個很大的能極差。但如此大的能量偏移會降低太陽能電池的電壓。研究人員的工作是根據(jù)波函數(shù)的離域和局部結(jié)晶度對電荷分離過程的影響，消除這種此消彼長。這一結(jié)果可以幫助人們設(shè)計(jì)新的分子并優(yōu)化供體和受體的形態(tài)，有助于提高太陽能電池的電壓。

研究小組使用各種發(fā)光和電吸收光譜技術(shù)與X射線衍射一起，獲得了結(jié)論。他們的研究結(jié)果為其他研究團(tuán)隊(duì)更好地了解電荷分離，并設(shè)計(jì)和模擬更高效的有機(jī)太陽能電池提供了幫助。