有机太阳能电池能量转换效率取得重大突破

由于在实验中的一次意外发现，发展缓慢的有机太阳能电池产业终于迎来了转机，其能量转换效率取得了重大突破。这一突破来自于电子在富勒烯分子(俗称“巴克球”)层中移动的过程。密歇根大学的科学家们在试验有机太阳能电池架构时发现了这一点。当时研究人员在有机电池的产电层上添加了两层富勒烯分子，光子在产电层撞击以驱动电子传输。

他们发现，电子在富勒烯层中移动更自由，传得更远，并且还产生了一个“能量井”(技术上称为势阱)，让电子无法逃脱。当这些电子在富勒烯分子层中传输时，传输距离可达几厘米(目前的有机电池中最多只能移动几百纳米)，因此能够产生更大的电流。

为什么这一突破如此重要

众所周知，有机电池的导电性很弱，因为有机材料的各个分子之间有很多松散的连接键。分子之间没有高效率的导通管路，因此电子经常被捕获，最多只能移动几百纳米。对于有机太阳能电池来说，电子被捕获是限制电子移动距离的主要障碍。如果电子可以在没有阻挡的情况下自由移动，它们就能传输得更远。对于所有的太阳能电池来说都是如此，但有机电池让电子的移动遇到了更大的挑战。因为电子在被捕获之前移动的距离不够远，所以无法进入电路。这种阻碍降低了电池的导电性，并且随着自由流动的电子越来越少，能量转换效率也随之降低。因此，由聚合物等非金属半导体组成的有机太阳能电池的能量转换效率最高仅为13.1%。这种效率水平根本无法与硅基的无机太阳能电池相媲美，后者的能量转换效率为26.6%，目前已广泛应用于太阳能电池板。

不过，有机太阳能电池的一些优势特性让其仍有进一步研究的价值。例如，除了采用更简单的聚合物加工技术使其具有降低成本的潜力外，有机太阳能电池还更薄、更灵活、更透明。这些特性对于将阳光高效转化为电能至关重要。此外，在建造净零能耗建筑(NZEB)或改造现有结构以提高能效时，公司可以将有机太阳能电池整合到结构本身，比如屋顶和墙壁上。在这些地方，笨重且不够灵活的硅基无机太阳能电池既不实用也不可行。另外这些有机太阳能电池还有其他优势，比如它们有多种颜色和配置，具有更好的美学效果。

导电性的突破

很明显，我们需要找到一些方法来充分发挥有机太阳能电池的潜力，而导电性的突破就是关键的一点。据密歇根大学的一篇题为《Semiconductor Breakthrough May Be a Game-Changer for Organic Solar Cells》的文章记载，研究人员在有机太阳能电池的产电层上添加了富勒烯分子层，光子在产电层撞击以驱动电子传输。他们使用一项被称为“真空热蒸发”的普通技术，对C60富勒烯进行分层，每一层都由60个碳原子组成。他们发现电子在富勒烯层中能够自由移动，而不是被困在有机分子之间的松散键中。

有趣的是，富勒烯因其可变的杂化状态、再杂化能力和弯曲的拓扑结构而被认为是优秀的受体分子。(值得注意的是，自从富勒烯在太阳能电池中的应用被发现以来，出现了一种新的高效太阳能电池，现在被称为非富勒烯受体(NFA)有机太阳能电池。它与富勒烯具有类似的电子接受特性，但显然是非富勒烯分子。)富勒烯也是电子受限材料，它们包含势(即量子)阱。一旦电子落入富勒烯分子的势阱，就很难出来。利用嵌入富勒烯层的电子阻挡层，就可以防止任何电子离开并与空穴重新结合，形成额外的障碍。

电子能够影响势阱外区域的唯一方式是通过电子隧穿。如果将量子阱并排放置，也就是说，富勒烯分子可以在一层中彼此相邻，那么它们就可以形成所谓的“超晶格”。如果量子阱之间的距离小于电子隧穿波函数的范围，那么电子波长就可以重叠并在势阱之间建立连接，从而使电子(和电流)流动。因此，通过在富勒烯层中捕获电子，分子间非常接近的势阱让电子能够畅通无阻地流动，而没有被困住的风险。

同样，由于电子可以自由移动，并且不能与产电层中的空穴重新结合，因此电子可以移动得更远，达到几厘米，而不仅仅是几纳米，从而产生更大的电流。因此，如上所述，现在可能有更大的电流，不是因为单个电子携带的能量更多，而是因为电路中流动着更多的载流子(即电荷)。最终，有机太阳能电池中具体的电流(和效率)增加情况取决于添加富勒烯之前与添加富勒烯之后相比，系统中流动的电子数量。

对行业的影响

密歇根大学的研究人员承认，这个发现只是一个开始，还要做更多的工作来改善有机太阳能电池的设计，特别是要研究还有哪些有机材料能成为优秀的电子导体。密歇根大学的工程教授Stephen Forrest预计，开发一个主流的有机太阳能电池解决方案可能需要长达10年的时间。

不过，富勒烯的发现总算为有机材料用于制造高效、透明的太阳能电池铺平了道路。例如，太阳能电池制造商可以将太阳能电池的导电电极缩小成不可见的网格，并结合有机太阳能电池的其他特性，将有机材料层压在任何物体表面上。由于有机太阳能电池所用的聚合物加工成本较低，这些解决方案可以在各种应用中实现合理的价格。不过也许这个发现所带来的最大突破是，更多的发现会催生更多的进步。

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原文标题：有机太阳能电池导电性迎来新突破

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审核编辑：汤梓红