北京
新論文為突破這一局限提供了路線圖。
一支國際研究團隊揭示了限制有機太陽能電池性能的隱藏機制，這一發現有望幫助其突破20%的效率障礙。
這項研究由瑞典林雪平大學、德國波茨坦大學和柏林保羅·德魯德研究所的科學家領銜，闡明了一個有機光伏發展中長期存在的難題。
有機光伏太陽能電池為傳統光伏提供了一種原料豐富、低能耗的替代方案，并有可能以比第一代和第二代太陽能技術更低的成本發電。
據該團隊稱，這些發現將為制造更高效的太陽能電池提供路線圖，使其能夠與已經成熟的硅基技術競爭。
太陽能電池中的一個謎團
太陽能電池的性能由三個因素決定：短路電流、開路電壓和填充因子。雖然這三個因素共同影響著器件的發電量，但提升其中一個往往需要犧牲另一個。
因此，多年來研究人員一直在有機太陽能電池中苦苦應對一個難以消除的權衡問題。試圖提高開路電壓常常導致填充因子下降，而填充因子的改善又往往會降低電壓。
隨著有機太陽能電池效率攀升至20%以上，這一權衡變得愈發難以克服。為應對這一挑戰，波茨坦大學的迪特·內爾博士、林雪平大學的高峰博士以及保羅·德魯德固體電子學研究所的薩法·肖伊博士攜手探究其根本原因。
該團隊與領域內其他專家合作，研究了為何有機太陽能電池在更高性能水平下效率增益開始放緩。結果表明，在特定條件下，太陽能電池活性層中自由電荷的產生嚴重依賴于有機半導體材料中的電場。
波茨坦大學物理學教授內爾指出：“這造成了一個此前理解不清的填充因子限制，當需要將電壓損失降至最低時，這一限制變得尤為突出。”
深入瓶頸內部
陽光照射有機太陽能電池時，會產生激子，即帶負電的電子與帶正電的空穴形成的束縛對。由于這些束縛對不能自由移動，它們必須首先分離成自由電荷才能產生電流。
通過模擬整個太陽能電池，團隊發現兩個因素在這一過程中起著關鍵作用：激子的存活時間以及電荷轉移過程中釋放了多少能量。這兩個參數被確定是在低電壓損失下決定填充因子的最重要因素。
內爾在一份新聞稿中總結道：“我們成功將填充因子與開路電壓之間的權衡追溯到少數幾個物理量，并模擬出通過延長激子壽命可以如何顯著緩解這一局限?！?/p>
團隊證明，延長激子壽命能夠顯著減輕這一問題。為驗證這一概念，他們還開發了新的有機材料組合，并用其制備了太陽能電池。這些器件同時實現了高填充因子和強勁的整體功率輸出。
據研究人員稱，這些發現提供了通用的設計原則，可指導未來有機光伏材料和器件架構的開發。
該研究已發表在《自然·光子學》期刊上。
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