美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研究人員有關(guān)電荷分離基礎(chǔ)科學(xué)的新認(rèn)識(shí)，為生產(chǎn)更便宜的有機(jī)太陽(yáng)能電池供應(yīng)了可能。他們建議在未來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)高效的太陽(yáng)能電池。最新的研究成果已發(fā)表于NatureCommunications雜志上。

現(xiàn)如今，有機(jī)太陽(yáng)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(wú)機(jī)單晶硅的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)高效有機(jī)電池的一個(gè)挑戰(zhàn)在于，分離由一個(gè)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(duì)，這被統(tǒng)稱(chēng)為激子。電子和空穴要被分離，以出現(xiàn)電流。

實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的方法是通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)異質(zhì)結(jié)，使兩個(gè)不同的有機(jī)半導(dǎo)體彼此相鄰，其中一個(gè)失去一個(gè)電子，而另一個(gè)得到一個(gè)電子，這樣可以分裂原有的激子。但是在該領(lǐng)域一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題是，怎么樣使電子和空穴徹底分離以出現(xiàn)電流，使得能夠在大多數(shù)太陽(yáng)能電池中觀察到其效率。

在過(guò)去的幾年中，一個(gè)新的視角被提出，即依賴(lài)于量子效應(yīng)的高分離效率，電子或空穴在同一時(shí)間以波浪態(tài)存在于散布在附近的幾個(gè)分子中，這樣電荷可以更容易地被分離。賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員供應(yīng)了新證據(jù)來(lái)支持這種解釋?zhuān)⒋_定了由C60分子組成的常見(jiàn)受體材料納米結(jié)晶（也被稱(chēng)為富勒烯或巴基球），是實(shí)現(xiàn)離域用途發(fā)生的關(guān)鍵。

這種晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)有機(jī)太陽(yáng)能電池的有效光電流出現(xiàn)是至關(guān)重要的。研究人員指出，一般觀點(diǎn)認(rèn)為，這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(gè)很大的能極差。但如此大的能量偏移會(huì)降低太陽(yáng)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(duì)電荷分離過(guò)程的影響，消除這種此消彼長(zhǎng)。這一結(jié)果可以幫助人們?cè)O(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(yáng)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(xiàn)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(yáng)能電池供應(yīng)了幫助。