自组织提高太阳能电池效率

聚合物分子的主要光致激发，会促进形成一种激发态，称为激子（exciton）。这随后会离解，释放出一个电子，然后传输到电子受体，来源：慕尼黑大学

有机太阳能电池把阳光转换成电能，有望形成一种经济和环保时尚。挑战在于，它们的运行效率仍然低于无机半导体。超快测量混合电池，揭示了一条途径，可以使其效率翻番。

使用有机太阳能电池，从阳光生产电力，这就提供了一个有吸引力也有前途的基础，会带来一种创新环保的方法，进行能源供应。它们的制造可以相当经济，而且因为它们是可弯曲的，就像塑料包装一样，因此，可以灵活处理。问题是，它们的效率仍然明显低于传统无机半导体电池。

最关键的工艺是，要把光转换成电流就要生成自由载流子（charge carriers）。在第一步光伏转化中，吸收光之后，有机太阳能电池的一种组份，通常是一种聚合物，会释放电子，吸收这些电子的是电池的第二种组份，在这种情况下就是硅纳米粒子，然后，电子可以被进一步传输。

“电荷分离的机制和时间表一直是争议话题，科学辩论已有多年，”慕尼黑大学（LMU）物理学教授埃伯哈德•里德尔（Eberhard Riedle）说。进行合作的研究者来自慕尼黑理工大学（Technical University in Munich）和拜罗伊特大学（Bayreuth University），里德尔和他的小组现已能够详细剖析这一过程。为了做到这一点，研究人员采用一种新型混合电池，这种电池包含有机和无机成分，其中的硅用作电子受体（electron acceptor）。根据这个系统获得的洞察，他们开发出一种处理策略，以增强这种聚合物的结构排序，而且发现，这提高了电荷分离效率，在有机半导体中可提高两倍。他们的研究结果提供了一种新的方法，可以优化有机太阳能电池的性能。

这一突破的关键，在于一种独特的、基于激光的实验装置，这种装置结合极高的时间分辨率和高带宽检测，分辨率达40飞秒（fs）。这使研究小组可以跟踪光子吸收诱发的超快过程，实时跟踪它们的发生。典型有机电池中使用富勒烯，相反，研究人员用硅作为电子受体，这一选择具有两大优势。

“首先，用这些新型混合太阳能电池，我们可以探测聚合物中发生的光物理过程，精度更高，超过以往任何时候，其次，因为使用硅，更大范围的太阳光谱可以被用来发电，”里德尔说。事实证明，自由载荷子，就是所谓的极化子（polarons），不是在光致激发（photoexcitation）后立即产生，而是要延迟约140飞秒。聚合物分子的主要光致激发，会促进形成一种激发态，称为激子（exciton）。这随后会离解，释放出一个电子，然后传输到电子受体。

失去电子，会留下带正电的“空穴”，在聚合物中，带相反电荷的实体相互吸引，因为库仑力（Coulomb force），两者倾向于重新并合。“为了获得自由载流子，电子和空穴都必须足够活跃，以克服库仑力，”丹尼尔•赫尔曼（Daniel Herrmann）解释说，他是这项新研究的第一作者。这一小组表明，这是第一次，实现这一点容易多了，这是因为采用的聚合物具有整齐、均匀的结构，而不是无序排列的聚合物。换句话说，高度自我组织的聚合物显著提高了电荷分离效率。

“我们使用的这种聚合物属于已知的几种，倾向于自我组织。这种倾向可以被抑制，但也可以强化这种聚合物自我组织的内在倾向，这只需选择合适的加工参数，”赫尔曼解释说。通过巧妙优化，加工这种聚合物聚噻吩（P3HT），研究人员成功地双倍增加了自由载流子产量，从而显著提高了实验太阳能电池的效率。