有机太阳能电池电荷机制新发现,可助设计新人造界面

2018-02-26 863
摘要:美国普渡大学科学家最近确定了有机太阳能电池电荷分离的机制,团队称算解决了物理学中一项长期难题,借由了解激子如何分离,将帮助研究人员设计出有机太阳能电池的新界面。 有机太阳能电池由软分子构成,而无机太阳能电池(硅晶)由更坚硬的材料构成,矽电池目前在太阳能产业中因转换效率最佳占主导地位,但它们昂贵、坚硬

美国普渡大学科学家最近确定了有机太阳能电池电荷分离的机制,团队称算解决了物理学中一项长期难题,借由了解激子如何分离,将帮助研究人员设计出有机太阳能电池的新界面。

有机太阳能电池由软分子构成,而无机太阳能电池(硅晶)由更坚硬的材料构成,矽电池目前在太阳能产业中因转换效率最佳占主导地位,但它们昂贵、坚硬,相比其他新秀电池可能具有轻巧、灵活弯曲和便宜的潜力,矽电池霸主地位未来随时不保,但有机电池的缺点是电流产生困难,且能量转换效率、稳定性仍差。

为了产生电流,紧紧结合在一起的正电荷(电子)、负电荷(电洞)两种粒子必须分开,它们通常会一起形成一个激子(电子-电洞对),需要另外一个人造界面来帮助分离,只不过,通常是有了界面后,电子和电洞仍相互吸引。

依结构看,有机太阳能电池可区分成单层或双层(或称异质接面),单层是最简单的形式,两个金属导电层中间夹著有机电子材料层,利用两导电层的功函差在有机层两端建立一个电场,当有机层吸收光子后,会激发形成电子-电洞对,而电极上不同功函造成的电势有利于激子分离成独立的电子与电洞,当电子被拉到正极、电洞被拉到负极,这个过程中形成的电压和电流就可以被加以利用。

但单层有机太阳能电池实际上工作成果很差,因为他们的量子效率不到 1%,能量转化效率不到0.1%,主要原因之下是两个电极间的电场很少足以使激子分离,电子更多的是与电洞复合而不是到达电极。为了解决这个问题,多层有机太阳能电池开始发展,在两个金属导电层之间多了两层不同物质,透过让电子亲和性、电离能两者差异更大,使局部电场大到足以让激子分离,比单层太阳能电池更有效。

不过最近,美国普渡大学化学系助理教授 Libai Huang 于《Science Advances》杂志发布论文,发现电子电洞界面并非单一静态,事实上,电子和电洞可以相距甚远也能极为紧密,当彼此离得越远时,顺利分离的可能性越大,就像分居的两夫妻少了点拘束后更可能如脱缰野马般一去不复返,电子和电洞离得越远,移动速度越快。

有机太阳能电池的研究很难,但现在, 了解到激子如何分离将帮助研究人员设计出有机太阳能电池的新界面,Libai Huang 说,这也意味着还有很多材料于太阳能电池方面的应用尚未被成熟驾驭。

  • Fast-moving electrons create current in organic solar cells

(首图来源:普渡大学)


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