研究人员表示，他们的新发现可能为制造由单一材料制成的更简单的太阳能电池板开辟道路。
一种从自由基双峰激发态发出红光的p3TTM薄膜图片：剑桥大学
英国剑桥大学的研究人员声称在一种名为聚（3-三苯基甲基噻吩 （P3TTM） 的发光有机半导体分子中发现了光伏特性。与具有成对电子的传统有机半导体不同，有机自由基半导体每个分子至少包含一个不成对电子，使其具有“开壳”特性。
“在大多数有机材料中，电子是成对的，不与邻居相互作用，”主要作者 Biwen Li 说。“但在我们的系统中，当分子聚集在一起时，相邻位点上未成对电子之间的相互作用会鼓励它们上下交替排列—这是莫特-哈伯德行为的标志。”
莫特-哈伯德行为出现在电子-电子相互作用特别强的材料中，在 P3TTM 中，每个分子都可以被认为是一个包含单个电子的房子。当光激发电子时，它可以跳到相邻的分子。“吸收光后，其中一个电子移动到最近的邻居，产生可以作为光电流收集的正电荷和负电荷，”该团队解释道。
为了测试这一点，研究人员使用 P3TTM 薄膜制造了一个实验性太阳能电池。该器件包括氧化铟锡（ITO）上的 PEDOT：PSS 层、富勒烯 （C60） 层、苯基-C61-丁酸甲酯 （PCBM） 中间层和铝 （Al） 电极。
P3TTM和Rubrene器件的光电流测量。a、器件结构及P3 TTM器件（左）和Rubrene器件（右）中电荷分离过程的示意图
该团队报告说，在标准照明下，太阳能电池实现了几乎完整的电荷收集效率。“这意味着几乎每个光子都被转化为可用的电荷，”研究人员说。“在传统的分子半导体太阳能电池中，光子到电荷的转换通常只发生在两种材料之间的界面处—一种充当电子供体，另一种充当受体—限制了整体效率。”
“相比之下，在这些新材料中，在光子吸收后，能量将电子从一个分子驱动到相同的邻居，从而产生电荷，”他们补充道。“这所需的能量—被称为'HubbardU'—代表了带负电的分子上双电子占用的静电成本。”
研究人员强调，这一突破可以使单一、低成本、轻质材料制造太阳能电池成为可能。他们的发现发表在《Nature Materials》上的研究“Intrinsic intermolecular photoinduced charge separation in organic radical semiconductors,”中。
“这项工作为仅使用单一成分在溶液和固态中探索发电和太阳能驱动的化学提供了一条途径，”他们总结道。
（消息来源：pv-magazine.com, Nature Materials）
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