美國賓夕法尼亞大學研究人員對于電荷分離基礎科學的新認識，為生產更便宜的有機太陽能電池提供了可能。他們建議在未來改進設計生產高效的太陽能電池。最新的研究成果已發表于Nature Communications雜志上。

現如今，有機太陽能電池最高的效率大約為實驗室規模數據的10%，這一數字遠低于基于無機單晶硅的設計。實現高效有機電池的一個挑戰在于，分離由一個帶負電荷的電子和其帶正電的空穴所組成的電子-空穴對，這被統稱為激子。電子和空穴需要被分離，以產生電流。

實現這一過程的方法是通過創建一個異質結，使兩個不同的有機半導體彼此相鄰，其中一個失去一個電子，而另一個得到一個電子，這樣可以分裂原有的激子。但是在該領域一個長期存在的問題是，怎樣使電子和空穴徹底分離以產生電流，使得能夠在大多數太陽能電池中觀察到其效率。

在過去的幾年中，一個新的視角被提出，即依賴于量子效應的高分離效率，電子或空穴在同一時間以波浪態存在于散布在附近的幾個分子中，這樣電荷可以更容易地被分離。賓夕法尼亞大學的研究人員提供了新證據來支持這種解釋，并確定了由C60分子組成的常見受體材料納米結晶（也被稱為富勒烯或巴基球），是實現離域作用發生的關鍵。



圖片：有機太陽能電池上的納米富勒烯分子

這種晶體結構對于有機太陽能電池的有效光電流產生是至關重要的。研究人員指出，一般觀點認為，這需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很大的能極差。但如此大的能量偏移會降低太陽能電池的電壓。研究人員的工作是根據波函數的離域和局部結晶度對電荷分離過程的影響，消除這種此消彼長。這一結果可以幫助人們設計新的分子并優化供體和受體的形態，有助于提高太陽能電池的電壓。

研究小組使用各種發光和電吸收光譜技術與X射線衍射一起，獲得了結論。他們的研究結果為其他研究團隊更好地了解電荷分離，并設計和模擬更高效的有機太陽能電池提供了幫助。