有機光伏電池一直被譽為剛性硅制太陽能電池板的輕便低成本替代品。近年，有機光伏電池的轉(zhuǎn)換效率得到大幅提升，不過，有機光伏電池究竟如何將太陽光轉(zhuǎn)換為電力——這仍是一個處于“激辯”中的問題。

如今，美國斯坦福大學(StanfordUniversity)研究小組參與到這個話題中。該研究團隊于2013年11月17日在《自然材料雜志(journalNatureMaterials)》上披露，原先認可的工作原理并不正確，應該將思維精力集中在材料設計上，以此提高有機電池的性能。

斯坦福大學材料科學與工程學院教授(論文作者之一)MichaelMcGehee表示：“我們都知道，有機光伏電池性能出眾。現(xiàn)在的問題是，它們?yōu)楹稳绱顺鲱惏屋?——答案仍然具有爭議性。”

傳統(tǒng)有機太陽能電池由塑料聚合物及其它柔性材料制作的兩個半導體層組成。通過吸收光子(光的粒子)，電池生產(chǎn)出電力。

當電池將光線吸入，光子在聚合物原子活動，令其溢出電子，遺留下一個空洞——科學家們稱之為“空穴”?？昭ㄅc電子迅速形成“激子”(激發(fā)性電子)的結(jié)合體。隨后，激子分裂，獨立移向另一個光子創(chuàng)造出來的空穴中。激子這類從一個空穴移向另一個空穴的持續(xù)行動產(chǎn)生電流。

在這份論文中，斯坦福團隊解決了爭論已久的一個問題——究竟何種原因?qū)е录ぷ臃至选?/p>

斯坦福大學材料科學與工程系副教授AlbertoSalleo聲稱：“要產(chǎn)生電流，就必須將激子與空穴分開——這就需要兩個類型各異的半導體材料。倘若相比于材料A，材料B對激子的吸引力更大，那么激子就會游向材料B。理論上，即使掉入某個材料，激子仍與空穴綁定。”

“然而，這個曠日持久的爭論焦點就在于這種綁定的狀態(tài)如何進行分裂?”

熱情似火

一種被科學家們廣為接受的解釋為“熱激子效應”理論。該理論認為，從材料A掉入材料B之時，電子攜帶了額外的能量——該額外能量賦予受激電子足夠的速度“逃離”空穴。

不過，斯坦福團隊的實驗結(jié)果并不認可這一假設。

斯坦福大學的KoenVandewal表示，斯坦?？茖W家們很可能已經(jīng)解決了“有機光伏電池如何將太陽光線轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?rdquo;這一曠日持久的爭論。問題的核心：究竟是何種原因?qū)е码娮?空穴對(激子)分離?可能的答案：無序聚合物與有序布基球間界面的自然梯度促使激子分裂，令電子(紫色)逃離，從而產(chǎn)生電流。

“通過研究我們發(fā)現(xiàn)，熱激子效應并不存在。”Salleo表示，“從半導體材料中，我們測量了光發(fā)射。我們發(fā)現(xiàn)額外能量并不需要用來分裂激子。”

那么，究竟是什么力量將電子與空穴分開?

“我們尚未對此給出答案。”Sallo解釋稱，“但我們可以給出一些提示。我們認為半導體材料中塑料聚合物內(nèi)部的無序排列具有協(xié)助電子離開的可能性。”

在近期的研究中，Salleo發(fā)現(xiàn)分子水平的無秩序狀況確實有助于提高太陽能電池半導體聚合物的性能。通過專注于塑料聚合物的內(nèi)在無秩序狀態(tài)，研究人員能夠設計出一種新型材料。該新型材料能夠?qū)㈦娮訌奶柲茈姵貎蓚€半導體層交界的地方“吸”出來。

“值得指出的是，有機太陽能電池交界面處聚合物的無秩序狀態(tài)更為混亂。”Salleo解釋道，“這將導致一種‘自然梯度’的現(xiàn)象——將電子從無序區(qū)域吸引到有序區(qū)域。”

提高效率

斯坦福研究小組表示，試驗中的光伏電池轉(zhuǎn)換效率約為9%。該團隊希望設計出能夠利用有序與無序間相互作用優(yōu)勢的半導體材料，提升電池性能。

“為了能夠制造出性能更佳的有機太陽能電池，科學家們一直在尋找能夠激發(fā)更為‘強勁’熱激子效應的材料。”Salleo說道，“我們不應該總是偏執(zhí)于揣摩電子如何在不發(fā)熱的情況下離開——這一直是極具爭議性的。人們就光電流方面的思維應該產(chǎn)生根本性轉(zhuǎn)變。”

注：該論文其它作者：來自斯坦福大學的KoenVandewal(第一作者)、ErikHoke、WilliamMateker、 JasonBloking及GeorgeBurkhard，來自德國波茨坦大學的SteveAlbrecht、MarcelSchubert及 DieterNeher，來自德國應用光物理研究所(IAPP)的JohannesWidmer及MoritzRiede，來自美國加州大學伯克利分校的 JessicaDouglas及JeanFrechet，來自沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)的AramAmassian，來自科羅拉多礦業(yè)大學的AlanSellinger以及來自牛津大學的AlanSellinger。