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新突破!科学家已确定有机太阳能电池损失途径,有望进一步提高转化效率

前瞻网    2021-10-04 15:40

 

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有机太阳能电池具有灵活、半透明和低成本的特点,可以大大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,并有效地回收用于室内照明的能量,而传统的硅电池板不可能做到这一点。有机太阳能电池的生产也更加环保。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,但是它们的商业发展近年来已经停滞不前,部分原因是它们的效率较低。

由剑桥大学领导的国际研究小组确定了有机太阳能电池中的一个损失途径,该途径使其在将太阳光转化为电能方面比硅基电池效率低。此外,研究人员还发现了一种抑制这一途径的方法,即通过操纵太阳能电池内的分子来防止电流通过一种不受欢迎的状态(被称为三重激子)流失。

有机太阳能电池通过模仿植物的自然光合作用过程来发电,只是电池最终利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。当一个光粒子,或光子,击中太阳能电池时,一个电子被光激发,并在材料的电子结构中留下一个“洞”。这种受激电子和空穴的组合被称为激子。如果能克服激子中负电电子和带正电的空穴之间的相互吸引(类似于磁铁的正负极之间吸引),就有可能将这些电子和空穴作为电流来收集。然而,太阳能电池中的电子可能会通过一个称为重组的过程而丢失,即电子失去能量或激发状态,重新落入空的 “空穴”状态。

研究人员发现,通过在电子供体和电子受体材料之间设计强有力的分子相互作用,有可能使电子和空穴进一步分开,防止重新结合成三重激子的发生,从而防止这种损失机制。

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,重组到三重激子状态的时间尺度可以减少一个数量级,从而使太阳能电池的运行效率更高。

这种方法显示了如何能够操纵分子来阻止重组的发生。研究人员表示,这种新方法提供了一个明确的思路和策略,通过阻止重组到三重激子状态,实现效率为20%或更高的有机太阳能电池。研究者认为,这些准则将使化学小组能够设计出新的材料,阻止三重激子的重组,使效率接近硅的有机太阳能电池得以实现。

题为“The role of charge recombination to triplet excitons in organic solar cells”的相关研究论文发表在《自然》上。

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责任编辑: 4150ZYN

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