有机半导体太阳能电池板太阳能转换效率达20%、接近硅的原因揭晓使用有机半导体的创新太阳能电池板的开发正在为太阳能的利用开辟新的视野。堪萨斯大学的一个研究小组通过揭示有机半导体的力学原理，在创造更高效、更多功能的太阳能电池方面迈出了重要一步，这种有机半导体有可能超越传统硅板的极限。这一突破可能会对环境友好型可再生能源的推广产生重大影响。

　　尽管传统的硅太阳能电池板具有较高的转换效率，但其存在制造成本高、难以在曲面上安装等缺点。为了解决这些问题，研究人员一直致力于开发称为“有机”半导体的新材料。有机半导体是地球上储量丰富、廉价且环保的碳基半导体。

　　堪萨斯大学物理和天文学副教授陈伟伦 (Wai-Lun Chan) 解释了有机半导体的优点： “这些有机材料可以使用基于溶液的方法涂覆到任何表面上，类似于粉刷墙壁，从而可能降低制造太阳能电池板的成本，可以调整材料以吸收选定波长的光，从而可以制造透明的材料。这些特性使有机太阳能电池板成为下一代绿色且可持续的建筑。

　　有机半导体已用于手机、电视和 VR 耳机等消费电子产品的显示面板，但其在商业太阳能电池板中的应用尚未广泛。其主要原因是有机太阳能电池的光电转换效率较低，约为12%，低于单晶硅太阳能电池的25%效率。

　　然而，最近开发的新型有机半导体非富勒烯受体（NFA）彻底改变了这种情况，通过使用NFA，研究人员能够将性能提高近20%。然而，这种显着性能提升的原因至今仍是个谜。

　　在《先进材料》杂志上发表的一项研究中，Chan 及其同事发现了一种有助于 NFA 卓越性能的微观机制。这一发现的关键是使用一种称为时间分辨双光子光电子能谱（TR-TPPE）的实验技术进行测量。

　　为了阐明这种效率提高背后的机制，研究小组使用 TR-TPPE 进行了测量，发现了电子在 NFA 中获得能量的独特过程。这是普通半导体中看不到的现象。

　　陈副教授谈到这一现象时说：“这一观察结果是违反直觉的，因为激发的电子通常会向环境中散失能量，就像一杯热咖啡向周围环境散失热量一样。”

　　研究小组认为，这种不寻常的过程是由电子的量子力学行为引起的。在量子力学中，受激电子可以同时出现在多个分子上。这种“量子怪异”与热力学第二定律相结合，该定律指出所有物理过程都会导致总熵的增加（通常称为“无序”），从而产生了与正常情况相反的能量收集过程。 。

　　研究团队的 Kushal Rijal 解释道： “在大多数情况下，热物体会将热量传递到较冷的环境，因为热传递会导致总熵增加。他们发现，热流的典型方向会发生逆转，从而增加熵。这种反向热流会导致中性激子获得热量。来自环境并将这些自由电荷配对产生电流。”

　　研究成果不仅可以应用于生产更高效的太阳能电池NG体育官方入口，还可以用于设计用于太阳能燃料生产的光催化剂，这是一种利用阳光将二氧化碳转化为有机燃料的光化学过程。

　　此外，这些发现是使用有机半导体的下一代太阳能电池板实际应用的重要一步，为清洁能源的未来开辟了新的可能性。提高低成本、环保有机太阳能电池的效率有望为实现可持续能源生产做出巨大贡献。

　　研究总结：使用非富勒烯受体 (NFA) 的有机光伏 (OPV) 已实现近 20% 的电力转换效率。 尽管供体/受体界面处的能级偏移非常小，这些 NFA OPV 仍可以有效地产生自由载流子。 为什么这些 NFA 能够实现高效的电荷分离 (CS) 和低能量损失仍然是一个悬而未决的问题。 在这里，我们通过时间分辨双光子光电子能谱研究了 PM6:Y6 本体异质结中的 CS 过程。 结果表明，CS，即束缚电荷转移激子 (CT) 向自由载流子的转化，是一个吸热过程，焓垒为 0.15 eV。 尽管 CS 是一个吸热过程，但它可以自发发生。这表明 CS 是由熵驱动的。 此外，PM6:Y6 薄膜的形态和各向异性电子离域限制了 CT 激子内电子和空穴的波函数，这使得它们主要通过点状结相互接触。 这种配置可以最大化熵驱动力。