有機太陽能電池電荷機制新發現,可助設計新人造介面

作者 | 發布日期 2018 年 01 月 18 日 12:54 | 分類 太陽能 , 材料、設備 , 零組件 follow us in feedly

美國普渡大學科學家最近確定了有機太陽能電池電荷分離的機制,團隊稱算解決了物理學中一項長期難題,藉由了解激子如何分離,將幫助研究人員設計出有機太陽能電池的新介面。



有機太陽能電池由軟分子構成,而無機太陽能電池(矽晶)由更堅硬的材料構成,矽電池目前在太陽能產業中因轉換效率最佳占主導地位,但它們昂貴、堅硬,相比其他新秀電池可能具有輕巧、靈活彎曲和便宜的潛力,矽電池霸主地位未來隨時不保,但有機電池的缺點是電流產生困難,且能量轉換效率、穩定性仍差。

為了產生電流,緊緊結合在一起的正電荷(電子)、負電荷(電洞)兩種粒子必須分開,它們通常會一起形成一個激子(電子-電洞對),需要另外一個人造介面來幫助分離,只不過,通常是有了介面後,電子和電洞仍相互吸引。

依結構看,有機太陽能電池可區分成單層或雙層(或稱異質接面),單層是最簡單的形式,兩個金屬導電層中間夾著有機電子材料層,利用兩導電層的功函差在有機層兩端建立一個電場,當有機層吸收光子後,會激發形成電子-電洞對,而電極上不同功函造成的電勢有利於激子分離成獨立的電子與電洞,當電子被拉到正極、電洞被拉到負極,這個過程中形成的電壓和電流就可以被加以利用。

但單層有機太陽能電池實際上工作成果很差,因為他們的量子效率不到 1%,能量轉化效率不到0.1%,主要原因之下是兩個電極間的電場很少足以使激子分離,電子更多的是與電洞複合而不是到達電極。為了解決這個問題,多層有機太陽能電池開始發展,在兩個金屬導電層之間多了兩層不同物質,透過讓電子親和性、電離能兩者差異更大,使局部電場大到足以讓激子分離,比單層太陽能電池更有效。

不過最近,美國普渡大學化學系助理教授 Libai Huang 於《Science Advances》雜誌發表論文,發現電子電洞介面並非單一靜態,事實上,電子和電洞可以相距甚遠也能極為緊密,當彼此離得越遠時,順利分離的可能性越大,就像分居的兩夫妻少了點拘束後更可能如脫韁野馬般一去不復返,電子和電洞離得越遠,移動速度越快。

有機太陽能電池的研究很難,但現在, 了解到激子如何分離將幫助研究人員設計出有機太陽能電池的新介面,Libai Huang 說,這也意味著還有很多材料於太陽能電池方面的應用尚未被成熟駕馭。

(首圖來源:普渡大學