科学家解决了有机太阳能电池低效率的问题

科学家们，在剑桥大学在有机太阳能电池中发现了一种损耗途径，这使得有机太阳能电池在将阳光转化为电能时的效率低于硅基电池。

此外，他们还发现了一种方法，通过影响太阳能电池内部的分子来阻止电流通过一种不需要的状态——三重态激子而损耗。

他们的研究结果发表在自然期刊上提出，有机太阳能电池有可能在效率上与硅基电池更接近。

有机太阳能电池具有半透明、柔性和廉价的特点，可以显著扩大太阳能技术的应用范围。它们可以固定在建筑物的外表面，并可以有效地循环利用用于室内照明的能源。这两者都不可能与现有的硅板。它们的生产也更加环保。

有机太阳能电池可以做很多无机太阳能电池做不到的事情，但它们的商业发展近年来已经趋于平稳，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高达20 - 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，现实世界的效率约为10 - 12%．

亚历山大·吉列博士，研究第一作者，剑桥大学卡文迪许实验室

有机太阳能电池发电大致是模仿植物光合作用的自然过程，只是在适当的时候，它们利用太阳的能量来发电，而不是将水和二氧化碳转化为葡萄糖。

当一个光粒子(光子)撞击太阳能电池时，一个电子会受到光的刺激，在材料的电子结构中留下一个“洞”。被激发的电子和空穴组合称为激子。

如果激子中带正电荷的空穴和带负电荷的电子之间的共同吸引力，类似于磁铁的正极和负极之间的吸引力，可以被超越，这些电子和空穴可能会被收集成电流。

然而，太阳能电池中的电子往往会在一个称为重组的过程中丢失。电子的能量或激发态失去了，它们又回到空穴状态。与硅相比，碳基材料中的电子和空穴之间有很强的吸引力，因此有机太阳能电池更容易发生复合，从而影响其效率。亚博网站下载

这就要求使用两种成分——电子“供体”材料和电子“受体”材料——来防止电子和空穴迅速重新结合。

结合计算机建模和光谱学，科学家们可以追踪有机太阳能电池的基本机制，从光子吸收到重组。他们了解到有机太阳能电池的一个关键损失机制是由于一种特殊类型的激子的重组，称为三重激子。

在有机太阳能电池中，三重态激子是一个极具挑战性的问题，因为从电子和空穴中发展对它们有利。科学家们发现，通过使电子供体和电子受体材料具有强大的分子相互作用，电子和空穴可以保持更远的距离，从而防止发生三重态激子的重组。亚博网站下载

计算模型表明，通过这种方法对有机太阳能电池的各部分进行修改，可以将重组到这些三重态激子态的时间尺度最小化一个数量级，从而提高太阳能电池功能的效率。

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途径，这真的很令人惊讶。我们的方法展示了如何操纵分子来阻止重组的发生．

亚历山大·吉列博士，研究第一作者，剑桥大学卡文迪许实验室

现在，合成化学家可以设计下一代具有强分子相互作用的供体和受体材料来抑制这种损失途径亚博网站下载来自加州大学圣巴巴拉分校的Thuc-Quyen Nguyen博士说。”该工作为实现更高的设备效率指明了前进的道路．”

科学家们说，他们的技术提供了一个强有力的策略，通过防止重新组合成三重态激子，实现有机太阳能电池的效率从20%或更多。作为研究工作的一部分，该团队还制定了电子给体材料和电子受体材料的设计规则，以实现这一目标。亚博网站下载

他们相信，这些策略将使化学小组能够创造出新的材料，这种材料可以阻止三重态激子的重组，从而使有机太阳能电池的生产效率接近亚博网站下载硅的实现。

期刊引用:

吉列,a·J。等．(2021)有机太阳能中电荷重组对三重态激子的作用细胞。自然．doi.org/10.1038/s41586 - 021 - 03840 - 5．

来源:https://www.cam.ac.uk