有机光伏电池中电荷转移态的离域和介电遮蔽

美国宾夕法尼亚大学研究人员对于电荷分离基础科学的新认识，为生产更便宜的有机太阳能电池提供了可能。他们建议在未来改进设计生产高效的太阳能电池。最新的研究成果已发表于Nature Communications杂志上。

现如今，有机太阳能电池最高的效率大约为实验室规模数据的10%，这一数字远低于基于无机单晶硅的设计。实现高效有机电池的一个挑战在于，分离由一个带负电荷的电子和其带正电的空穴所组成的电子-空穴对，这被统称为激子。电子和空穴需要被分离，以产生电流。

实现这一过程的方法是通过创建一个异质结，使两个不同的有机半导体彼此相邻，其中一个失去一个电子，而另一个得到一个电子，这样可以分裂原有的激子。但是在该领域一个长期存在的问题是，怎样使电子和空穴彻底分离以产生电流，使得能够在大多数太阳能电池中观察到其效率。

在过去的几年中，一个新的视角被提出，即依赖于量子效应的高分离效率，电子或空穴在同一时间以波浪态存在于散布在附近的几个分子中，这样电荷可以更容易地被分离。宾夕法尼亚大学的研究人员提供了新证据来支持这种解释，并确定了由C60分子组成的常见受体材料纳米结晶（也被称为富勒烯或巴基球），是实现离域作用发生的关键。



图片：有机太阳能电池上的纳米富勒烯分子

这种晶体结构对于有机太阳能电池的有效光电流产生是至关重要的。研究人员指出，一般观点认为，这需要一大堆多余的能量分裂激子，这就意味着在供体和受体材料之间必须有一个很大的能极差。但如此大的能量偏移会降低太阳能电池的电压。研究人员的工作是根据波函数的离域和局部结晶度对电荷分离过程的影响，消除这种此消彼长。这一结果可以帮助人们设计新的分子并优化供体和受体的形态，有助于提高太阳能电池的电压。

研究小组使用各种发光和电吸收光谱技术与X射线衍射一起，获得了结论。他们的研究结果为其他研究团队更好地了解电荷分离，并设计和模拟更高效的有机太阳能电池提供了帮助。