如何建立高效的有机太阳能电池

来自七个研究机构的二十五名研究人员齐心协力制定了设计高效有机太阳能电池的规则。该研究由瑞典林雪平大学副教授冯高领导。

与其他太阳能电池技术相比，由碳基材料制成的有机太阳能电池具有独特的优势。例如，它们可以通过低成本的印刷技术制造，并且可以制成具有可选颜色的半透明，这可以在建筑上用于建筑集成。它们的灵活性和低重量使它们非常适合为物联网应用的传感器供电。

有机太阳能电池发展面临的主要挑战是它们通常具有大的能量损失。

“我们已经制定了一些合理的设计规则，以尽量减少在有机太阳能电池的能量损失。遵循这些规则，我们提出了一系列具有低能量损耗和高功率转换听证效力的例子，”高风，在生物分子和司副教授林雪平大学的有机电子学。

设计规则挑战了一些先前持有的想法，已发表在Nature Materials杂志的一篇文章中。

使用这些设计规则，有机太阳能电池有望在功率转换效率方面赶上竞争对手，这可以测量太阳辐射中转换为电能的能量比例。太阳能电池中可获得的太阳能分数的理论极限约为33%。硅基太阳能电池的实验室实验最多达到了25%。迄今为止，研究人员认为有机太阳能电池的限制较低。

“但我们现在知道没有区别 - 从硅，钙钛矿或聚合物制造的太阳能电池的理论极限是相同的，”林雪平大学生物分子和有机电子学教授Olle Inganas说。

当来自太阳的光子被太阳能电池中的半导体聚合物吸收时，施主材料中的电子升高到激发态，并且在电子保持吸引的基态中形成空穴。为了分离这些结合的电子和空穴，添加受主材料。然而，这种受体材料通常会导致额外的能量损失，这个问题已经困扰着有机太阳能电池界二十多年。

Nature Materials的文章提出了两个基本规则，以最大限度地减少高效有机太阳能电池的能量损失： - 尽量减少供体和受体组件之间的能量偏移。 - 确保混合物中的低间隙成分具有高光致发光。

美国，中国和欧洲七个研究机构的研究人员共同制作了大约十二种不同的材料，其中一些材料已经有过报道，另一些则是全新的。他们用这些来证明新理论与实验结果一致，尽管它与先前认为的有些不相容。