新的理解可以产生更有效的有机太阳能电池

2019-02-12 08:59:01
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2月3日在线发表在Nature Communications上的论文中提出了对电荷分离基础科学的新认识,制造廉价有机太阳能电池的目标可能会更加平易近人。由Penn State电气工程师Noel Giebink和他的团队的本科生Bethany Bernardo以及比利时IMEC,阿贡国家实验室,西北和普林斯顿的同事共同撰写,该论文提出了制造更高效太阳能电池的设计规则。未来。

目前,有机太阳能电池在实验室中的最高效率约为10%,远低于无机单晶硅。实现有效有机电池的挑战之一在于分离由带负电的电子构成的强结合对和由光吸收产生的带正电的空穴,统称为激子。需要分离电子和空穴以产生电流。

这样做的方法是创建一个异质结,它是两个彼此相邻的不同有机半导体,其中一个喜欢放弃电子而另一个接受电子,从而将原始激子分裂为电子和空穴。对附近的分子。然而,该领域一个长期存在的问题是,附近的电子和空穴 - 在这个阶段仍然相互强烈吸引 - 如何完全分离,以便在大多数太阳能电池中观察到的效率产生电流。

在过去的几年中,一种新的观点提出,高分离效率依赖于量子效应 - 电子或空穴可以以波状状态存在,同时分布在几个附近的分子上。当其中一个载波的波函数在远离其伙伴的位置处坍塌时,电荷可以更容易地分离。Giebink及其同事的工作提供了令人信服的新证据来支持这种解释,并确定由C60分子(也称为富勒烯或巴基球)制成的共同受体材料的纳米结晶度,这是实现这种离域效应的关键。

Giebink说,这种局部结晶顺序似乎对有机太阳能电池中有效的光电流产生至关重要。“社区中的一个共同观点是,需要一堆多余的能量来分解激子,这意味着供体和受体材料之间必须存在很大的能级差异。但是这种大的能量偏移会降低电压。鉴于波函数离域和局部结晶对电荷分离过程的影响,我们的工作消除了这种感知的权衡。这个结果应该有助于人们设计新分子并优化供体和受体形态,有助于提高太阳能电池电压而不会牺牲太阳能电池电压。当前。”

该团队使用各种发光和电吸收光谱技术以及X射线衍射来得出结论。他们的研究结果,在标题为本文详细“离域和在有机光伏电池电荷转移电介质筛选,”将提供其它基团更好地理解的电荷分离,因为它们设计和模型更有效的有机太阳能电池。

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