化学：新研究可能导致有机太阳能电池研究的范围发生转变！

斯坦福科学家可能已经解决了有机太阳能电池如何将太阳光转化为电能的争论。问题：是什么导致电子 - 空穴对（激子）分裂？可能的答案是：在无序聚合物和有序巴基球之间的太阳能电池界面处的梯度分裂激子，允许电子（紫色）逸出并产生电流。图片来源：斯坦福大学Koen Vandewal。

有机太阳能电池长期以来被吹捧为由硅制成的刚性太阳能电池板的轻质，低成本替代品。近年来，有机光伏发电的效率得到了显着提高，但这些设备如何将太阳光转化为电能的基本问题仍然备受争议。

现在，斯坦福大学的一个研究小组正在考虑这一争议。他们的研究结果发表在11月17日出版的“ 自然材料 ”杂志上，表明主要的工作理论不正确，可以引导未来设计能够提高有机细胞性能的材料。

“我们知道有机光伏发电是非常好的，”研究合着者，斯坦福大学材料科学与工程教授Michael McGehee说。“问题是，他们为什么这么好？答案是有争议的。”

典型的有机太阳能电池由两个由塑料聚合物和其他柔性材料制成的半导体层组成。电池通过吸收光或光子的粒子来发电。

当细胞吸收光线时，光子会撞击聚合物原子中的电子，留下一个空洞，科学家称之为空洞。电子和空穴立即形成称为激子的键合对。激子分裂，允许电子独立地移动到由另一个吸收的光子产生的空穴。电子从一个孔到另一个孔的这种连续运动产生电流。在这项研究中，斯坦福大学的研究小组讨论了导致激子分裂的原因的长期争论。

“为了产生电流，你必须将电子和空穴分开，” 斯坦福大学材料科学与工程副教授资深作者Alberto Salleo说。“这需要两种不同的半导体材料。如果电子比材料A更多地吸引到材料B，它会落入材料B中。理论上，即使电子掉落，电子也应该保持与孔的结合。

“长期存在的根本问题是，这种约束状态如何分裂？”

科学家们普遍接受的一种解释被称为“热激子效应”。这个想法是当电子从材料A下降到材料B时，电子携带额外的能量。这增加的能量使激发的（“热”）电子足够的速度从孔中逸出。

但斯坦福大学的研究小组认为，这一假设并不符合实验测试的要求。“在我们的研究中，我们发现热激子效应不存在，”Salleo说。“我们测量了半导体材料的光学发射，发现分裂激子不需要额外的能量。”

那么究竟是什么导致电子空穴对分离？

“我们还没有真正回答这个问题，”Salleo说。“我们有一些提示。我们认为半导体中塑料聚合物的无序排列可能有助于电子消失。”

在最近的一项研究中，Salleo发现分子水平的无序实际上改善了太阳能电池中半导体聚合物的性能。他说，通过专注于塑料聚合物固有的无序，研究人员可以设计出能够将电子从太阳能电池界面吸走的新材料，这两个半导体层相遇。“在有机太阳能电池中，界面总是比远处的区域更加无序，”Salleo解释说。“这产生了一种自然梯度，将电子从无序区域吸收到有序区域。”

提高能源效率！

实验中使用的太阳能电池具有约9％的能量转换效率。斯坦福大学的团队希望通过设计利用有序和无序之间相互作用的半导体来改善这种性能。

“为了更好的有机太阳能电池，人们一直在寻找材料，会给你更强的热激子效应，” Salleo说。“他们应该试着弄清楚电子是如何在没有热的情况下离开的。这个想法很有争议。这是人们对光电流产生的看法的根本转变。”