有機(jī)光伏電池研究的轉(zhuǎn)型思維

有機(jī)光伏電池一直被譽(yù)為剛性硅制太陽能電池板的輕便低成本替代品。近年，有機(jī)光伏電池的轉(zhuǎn)換效率得到大幅提升，不過，有機(jī)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(xué)(StanfordUniversity)研究小組參與到這個話題中。該研究團(tuán)隊(duì)于2013年11月17日在《自然材料雜志(journalNatureMaterials)》上披露，原先認(rèn)可的工作原理并不正確，應(yīng)該將思維精力集中在材料設(shè)計(jì)上，以此提高有機(jī)電池的性能。

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授(論文作者之一)MichaelMcGehee表示：“我們都知道，有機(jī)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(jī)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(dǎo)體層組成。通過吸收光子(光的粒子)，電池生產(chǎn)出電力。

當(dāng)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(xué)家們稱之為“空穴”。空穴與電子迅速形成“激子”(激發(fā)性電子)的結(jié)合體。隨后，激子分裂，獨(dú)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(tuán)隊(duì)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(xué)材料科學(xué)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(dǎo)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(diǎn)就在于這種綁定的狀態(tài)如何進(jìn)行分裂?”

熱情似火

一種被科學(xué)家們廣為接受的解釋為“熱激子效應(yīng)”理論。該理論認(rèn)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(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不認(rèn)可這一假設(shè)。

斯坦福大學(xué)的KoenVandewal表示，斯坦福科學(xué)家們很可能已經(jīng)解決了“有機(jī)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(yīng)并不存在。”Salleo表示，“從半導(dǎo)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(rèn)為半導(dǎo)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(shí)有助于提高太陽能電池半導(dǎo)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(shè)計(jì)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(dǎo)體層交界的地方“吸”出來。

“值得指出的是，有機(jī)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(dǎo)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(yàn)中的光伏電池轉(zhuǎn)換效率約為9%。該團(tuán)隊(duì)希望設(shè)計(jì)出能夠利用有序與無序間相互作用優(yōu)勢的半導(dǎo)體材料，提升電池性能。

“為了能夠制造出性能更佳的有機(jī)太陽能電池，科學(xué)家們一直在尋找能夠激發(fā)更為‘強(qiáng)勁’熱激子效應(yīng)的材料。”Salleo說道，“我們不應(yīng)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(yīng)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(xué)的KoenVandewal(第一作者)、ErikHoke、WilliamMateker、 JasonBloking及GeorgeBurkhard，來自德國波茨坦大學(xué)的SteveAlbrecht、MarcelSchubert及 DieterNeher，來自德國應(yīng)用光物理研究所(IAPP)的JohannesWidmer及MoritzRiede，來自美國加州大學(xué)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(xué)(KAUST)的AramAmassian，來自科羅拉多礦業(yè)大學(xué)的AlanSellinger以及來自牛津大學(xué)的AlanSellinger。