斯坦福团队探讨有机光伏电池研究的思维转型

 有机光伏电池一直被誉为刚性硅制太阳能电池板的轻便低成本替代品。近年，有机光伏电池的转换效率得到大幅提升，不过，有机光伏电池究竟如何将太阳光转换为电力——这仍是一个处于“激辩”中的问题。

如今，美国斯坦福大学（Stanford University）研究小组参与到这个话题中。该研究团队于2013年11月17日在《自然材料杂志（journal Nature Materials）》上披露，原先认可的工作原理并不正确，应该将思维精力集中在材料设计上，以此提高有机电池的性能。

斯坦福大学材料科学与工程学院教授（论文作者之一）Michael McGehee表示：“我们都知道，有机光伏电池性能出众。现在的问题是，它们为何如此出类拔萃？——答案仍然具有争议性。”

传统有机太阳能电池由塑料聚合物及其它柔性材料制作的两个半导体层组成。通过吸收光子（光的粒子），电池生产出电力。

当电池将光线吸入，光子在聚合物原子活动，令其溢出电子，遗留下一个空洞——科学家们称之为“空穴”。空穴与电子迅速形成“激子”（激发性电子）的结合体。随后，激子分裂，独立移向另一个光子创造出来的空穴中。激子这类从一个空穴移向另一个空穴的持续行动产生电流。

在这份论文中，斯坦福团队解决了争论已久的一个问题——究竟何种原因导致激子分裂。

斯坦福大学材料科学与工程系副教授Alberto Salleo声称：“要产生电流，就必须将激子与空穴分开——这就需要两个类型各异的半导体材料。倘若相比于材料A，材料B对激子的吸引力更大，那么激子就会游向材料B。理论上，即使掉入某个材料，激子仍与空穴绑定。”

“然而，这个旷日持久的争论焦点就在于这种绑定的状态如何进行分裂？”

热情似火

一种被科学家们广为接受的解释为“热激子效应”理论。该理论认为，从材料A掉入材料B之时，电子携带了额外的能量——该额外能量赋予受激电子足够的速度“逃离”空穴。

不过，斯坦福团队的实验结果并不认可这一假设。

斯坦福大学的Koen Vandewal表示，斯坦福科学家们很可能已经解决了“有机光伏电池如何将太阳光线转变为电力”这一旷日持久的争论。问题的核心：究竟是何种原因导致电子 - 空穴对（激子）分离？可能的答案：无序聚合物与有序布基球间界面的自然梯度促使激子分裂，令电子（紫色）逃离，从而产生电流。

“通过研究我们发现，热激子效应并不存在。” Salleo表示，“从半导体材料中，我们测量了光发射。我们发现额外能量并不需要用来分裂激子。”

那么，究竟是什么力量将电子与空穴分开？

“我们尚未对此给出答案。”Sallo解释称，“但我们可以给出一些提示。我们认为半导体材料中塑料聚合物内部的无序排列具有协助电子离开的可能性。”

在近期的研究中，Salleo发现分子水平的无秩序状况确实有助于提高太阳能电池半导体聚合物的性能。通过专注于塑料聚合物的内在无秩序状态，研究人员能够设计出一种新型材料。该新型材料能够将电子从太阳能电池两个半导体层交界的地方“吸”出来。

“值得指出的是，有机太阳能电池交界面处聚合物的无秩序状态更为混乱。” Salleo解释道，“这将导致一种‘自然梯度’的现象——将电子从无序区域吸引到有序区域。”

　　提高效率

斯坦福研究小组表示，试验中的光伏电池转换效率约为9%。该团队希望设计出能够利用有序与无序间相互作用优势的半导体材料，提升电池性能。

“为了能够制造出性能更佳的有机太阳能电池，科学家们一直在寻找能够激发更为‘强劲’热激子效应的材料。” Salleo说道，“我们不应该总是偏执于揣摩电子如何在不发热的情况下离开——这一直是极具争议性的。人们就光电流方面的思维应该产生根本性转变。”

注：该论文其它作者：来自斯坦福大学的Koen Vandewal（第一作者）、Erik Hoke、 William Mateker、Jason Bloking及 George Burkhard，来自德国波茨坦大学的Steve Albrecht、Marcel Schubert 及Dieter Neher，来自德国应用光物理研究所（IAPP）的Johannes Widmer及 Moritz Riede，来自美国加州大学伯克利分校的Jessica Douglas 及Jean Frechet，来自沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的Aram Amassian，来自科罗拉多矿业大学的Alan Sellinger以及来自牛津大学的Alan Sellinger。