有機(jī)光伏電池一直被譽(yù)為剛性硅制太陽(yáng)能電池板的輕便低成本替代品。近年，有機(jī)光伏電池的轉(zhuǎn)換效率得到大幅提升，不過(guò)，有機(jī)光伏電池究竟如何將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為電力這仍是一個(gè)處于激辯中的問(wèn)題。

如今，美國(guó)斯坦福大學(xué)（StanfordUniversity）研究小組參與到這個(gè)話題中。該研究團(tuán)隊(duì)于2013年十一月十七日在《自然材料雜志（journalNatureMaterials）》上披露，原先認(rèn)可的工作原理并不正確，應(yīng)該將思維精力集中在材料設(shè)計(jì)上，以此提高有機(jī)電池的性能。

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授（論文作者之一）MichaelMcGehee表示：我們都了解，有機(jī)光伏電池性能出眾。現(xiàn)在的問(wèn)題是，它們?yōu)楹稳绱顺鲱?lèi)拔萃？答案仍然具有爭(zhēng)議性。

傳統(tǒng)有機(jī)太陽(yáng)能電池由塑料聚合物及其它柔性材料制作的兩個(gè)半導(dǎo)體層組成。通過(guò)吸收光子（光的粒子），電池生產(chǎn)出電力。

當(dāng)電池將光線吸入，光子在聚合物原子活動(dòng)，令其溢出電子，遺留下一個(gè)空洞科學(xué)家們稱(chēng)之為空穴。空穴與電子迅速形成激子（激發(fā)性電子）的結(jié)合體。隨后，激子分裂，獨(dú)立移向另一個(gè)光子創(chuàng)造出來(lái)的空穴中。激子這類(lèi)從一個(gè)空穴移向另一個(gè)空穴的持續(xù)行動(dòng)出現(xiàn)電流。

在這份論文中，斯坦福團(tuán)隊(duì)解決了爭(zhēng)論已久的一個(gè)問(wèn)題究竟何種原因?qū)е录ぷ臃至选?/p>

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系副教授AlbertoSalleo聲稱(chēng)：要出現(xiàn)電流，就必須將激子與空穴分開(kāi)這就要兩個(gè)類(lèi)型各異的半導(dǎo)體材料。倘若相比于材料A，材料B對(duì)激子的吸引力更大，那么激子就會(huì)游向材料B。理論上，即使掉入某個(gè)材料，激子仍與空穴綁定。

然而，這個(gè)曠日持久的爭(zhēng)論焦點(diǎn)就在于這種綁定的狀態(tài)如何進(jìn)行分裂？

熱情似火

一種被科學(xué)家們廣為接受的解釋為熱激子效應(yīng)理論。該理論認(rèn)為，從材料A掉入材料B之時(shí)，電子攜帶了額外的能量該額外能量賦予受激電子足夠的速度逃離空穴。

不過(guò)，斯坦福團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不認(rèn)可這一假設(shè)。

斯坦福大學(xué)的KoenVandewal表示，斯坦?？茖W(xué)家們很可能已經(jīng)解決了有機(jī)光伏電池如何將太陽(yáng)光線轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏@一曠日持久的爭(zhēng)論。問(wèn)題的核心：究竟是何種原因?qū)е码娮?空穴對(duì)（激子）分離？可能的答案：無(wú)序聚合物與有序布基球間界面的自然梯度促使激子分裂，令電子（紫色）逃離，從而出現(xiàn)電流。

通過(guò)研究我們發(fā)現(xiàn)，熱激子效應(yīng)并不存在。Salleo表示，從半導(dǎo)體材料中，我們測(cè)量了光發(fā)射。我們發(fā)現(xiàn)額外能量并不要用來(lái)分裂激子。

那么，究竟是什么力量將電子與空穴分開(kāi)？

我們尚未對(duì)此給出答案。Sallo解釋稱(chēng)，但我們可以給出一些提示。我們認(rèn)為半導(dǎo)體材料中塑料聚合物內(nèi)部的無(wú)序排列具有協(xié)助電子離開(kāi)的可能性。

在近期的研究中，Salleo發(fā)現(xiàn)分子水平的無(wú)秩序狀況確實(shí)有助于提高太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體聚合物的性能。通過(guò)專(zhuān)注于塑料聚合物的內(nèi)在無(wú)秩序狀態(tài)，研究人員能夠設(shè)計(jì)出一種新型材料。該新型材料能夠?qū)㈦娮訌奶?yáng)能電池兩個(gè)半導(dǎo)體層交界的地方吸出來(lái)。

值得指出的是，有機(jī)太陽(yáng)能電池交界面處聚合物的無(wú)秩序狀態(tài)更為混亂。Salleo解釋道，這將導(dǎo)致一種‘自然梯度的現(xiàn)象將電子從無(wú)序區(qū)域吸引到有序區(qū)域。

提高效率

斯坦福研究小組表示，試驗(yàn)中的光伏電池轉(zhuǎn)換效率約為9%。該團(tuán)隊(duì)希望設(shè)計(jì)出能夠利用有序與無(wú)序間相互用途優(yōu)勢(shì)的半導(dǎo)體材料，提升電池性能。

為了能夠制造出性能更佳的有機(jī)太陽(yáng)能電池，科學(xué)家們一直在尋找能夠激發(fā)更為‘強(qiáng)勁熱激子效應(yīng)的材料。Salleo說(shuō)道，我們不應(yīng)該總是偏執(zhí)于揣摩電子如何在不發(fā)熱的情況下離開(kāi)這一直是極具爭(zhēng)議性的。人們就光電流方面的思維應(yīng)該出現(xiàn)根本性轉(zhuǎn)變。

注：該論文其它作者：來(lái)自斯坦福大學(xué)的KoenVandewal（第一作者）、ErikHoke、WilliamMateker、JasonBloking及GeorgeBurkhard，來(lái)自德國(guó)波茨坦大學(xué)的SteveAlbrecht、MarcelSchubert及DieterNeher，來(lái)自德國(guó)應(yīng)用光物理研究所（IAPP）的JohannesWidmer及MoritzRiede，來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的JessicaDouglas及JeanFrechet，來(lái)自沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）的AramAmassian，來(lái)自科羅拉多礦業(yè)大學(xué)的AlanSellinger以及來(lái)自牛津大學(xué)的AlanSellinger。