化學：新研究可能導致有機太陽能電池研究的範圍發生轉變！
斯坦福科學家可能已經解決了有機太陽能電池如何將太陽光轉化為電能的爭論。問題：是什麼導致電子 - 空穴對（激子）分裂？可能的答案是：在無序聚合物和有序巴基球之間的太陽能電池界面處的梯度分裂激子，允許電子（紫色）逸出併產生電流。圖片來源：斯坦福大學Koen Vandewal。
有機太陽能電池長期以來被吹捧為由硅製成的剛性太陽能電池板的輕質，低成本替代品。近年來，有機光伏發電的效率得到了顯著提高，但這些設備如何將太陽光轉化為電能的基本問題仍然備受爭議。
現在，斯坦福大學的一個研究小組正在考慮這一爭議。他們的研究結果發表在11月17日出版的“ 自然材料 ”雜誌上，表明主要的工作理論不正確，可以引導未來設計能夠提高有機細胞性能的材料。
“我們知道有機光伏發電是非常好的，”研究合著者，斯坦福大學材料科學與工程教授Michael McGehee說。“問題是，他們為什麼這麼好？答案是有爭議的。”
典型的有機太陽能電池由兩個由塑料聚合物和其他柔性材料製成的半導體層組成。電池通過吸收光或光子的粒子來發電。
當細胞吸收光線時，光子會撞擊聚合物原子中的電子，留下一個空洞，科學家稱之為空洞。電子和空穴立即形成稱為激子的鍵合對。激子分裂，允許電子獨立地移動到由另一個吸收的光子產生的空穴。電子從一個孔到另一個孔的這種連續運動產生電流。在這項研究中，斯坦福大學的研究小組討論了導致激子分裂的原因的長期爭論。
“為了產生電流，你必須將電子和空穴分開，” 斯坦福大學材料科學與工程副教授資深作者Alberto Salleo說。“這需要兩種不同的半導體材料。如果電子比材料A更多地吸引到材料B，它會落入材料B中。理論上，即使電子掉落，電子也應該保持與孔的結合。
“長期存在的根本問題是，這種約束狀態如何分裂？”
科學家們普遍接受的一種解釋被稱為“熱激子效應”。這個想法是當電子從材料A下降到材料B時，電子攜帶額外的能量。這增加的能量使激發的（“熱”）電子足夠的速度從孔中逸出。
但斯坦福大學的研究小組認為，這一假設並不符合實驗測試的要求。“在我們的研究中，我們發現熱激子效應不存在，”Salleo說。“我們測量了半導體材料的光學發射，發現分裂激子不需要額外的能量。”
那麼究竟是什麼導致電子空穴對分離？
“我們還沒有真正回答這個問題，”Salleo說。“我們有一些提示。我們認為半導體中塑料聚合物的無序排列可能有助於電子消失。”
在最近的一項研究中，Salleo發現分子水平的無序實際上改善了太陽能電池中半導體聚合物的性能。他說，通過專注於塑料聚合物固有的無序，研究人員可以設計出能夠將電子從太陽能電池界面吸走的新材料，這兩個半導體層相遇。“在有機太陽能電池中，界面總是比遠處的區域更加無序，”Salleo解釋說。“這產生了一種自然梯度，將電子從無序區域吸收到有序區域。”
提高能源效率！
實驗中使用的太陽能電池具有約9％的能量轉換效率。斯坦福大學的團隊希望通過設計利用有序和無序之間相互作用的半導體來改善這種性能。
“為了更好的有機太陽能電池，人們一直在尋找材料，會給你更強的熱激子效應，” Salleo說。“他們應該試著弄清楚電子是如何在沒有熱的情況下離開的。這個想法很有爭議。這是人們對光電流產生的看法的根本轉變。”
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