近年来，研究人员一直在努力开发越来越高效和先进的太阳能技术。提高太阳能电池效率的一种方式是减少由非辐射复合过程引起的能量损失(即电压损失)。
亚利桑那大学和瑞典林雪平大学的研究人员最近进行了一项研究，旨在更好地了解有机太阳能电池中的非辐射电压损失。他们的论文发表在Nature Energy 上，描述了基于富勒烯和基于非富勒烯的太阳能电池中发生能量损失的方式。
“请注意，光子吸收导致在有源层的电子受体和/或电子供体组件中形成激发电子态，”进行这项研究的研究人员之一让-吕克·布雷达斯 (Jean-Luc Bredas) 告诉 TechXplore。“这种激发态在受体和供体组分之间的界面处演变成所谓的电荷转移 (CT) 电子态。然后这种 CT 态可以解离成自由电荷载流子或衰变到基态。”
在 CT 状态解离为自由电荷载流子后，这些载流子理想地应移动到电极，在那里它们最终被提取出来。然而，在此过程中，这些电荷载体中的一些也可以通过称为生物分子重组的过程进行重组。
生物分子重组过程也通过 CT 状态发生。因此，为了优化有机太阳能电池的效率，应尽量减少 CT 状态的非辐射衰减。在他们的论文中，Arizona 和 Linköping 团队及其同事对有机太阳能电池中的非辐射电压损失进行了统一描述。
“我们能够同样好地描述基于富勒烯和基于非富勒烯的太阳能电池的情况，”Bredas 解释说。“这种统一的描述是通过结合亚利桑那州的理论工作和主要在林雪平进行的实验工作来实现的。在理论方面，我们能够考虑所有相关的电子态，即：基态、CT 态和受体和/或供体内的强吸收状态。”
先前提出的非辐射衰变模型没有考虑受体和/或供体内的强吸收状态。因此，他们未能提供非辐射电压损失的完整图片，而这对于充分了解其影响是必需的，尤其是对高效的非富勒烯太阳能电池的影响。相比之下，Bredas 及其同事的理论模型描述了基于富勒烯和基于非富勒烯的太阳能电池中的非辐射能量损失。
从实验的角度来看，林雪平大学的团队能够表征 30 多个系统的 CT 状态和太阳能电池参数。这些系统包括基于富勒烯和基于非富勒烯的活性层。
“这些努力的结合提供了对高效非富勒烯有机太阳能电池能量/电压损失小的原因的前所未有的深入理解，”布雷达斯说。
在调查过程中，Bredas 和他的同事们进行了一些有趣的观察。首先，他们发现原始受体和供体成分的发光决定了电压损失的程度。其次，他们的实验表明，可以在不牺牲或影响电荷生成效率的情况下降低电压损失。
“太阳能电池可以产生的功率是电流乘以电压，”布雷达斯说。“降低电压损失显然会增加可以产生的最大电压。社区担心降低电压损失的方式也会减少电荷产生，从而减少可以产生的最大电流。我们证明这是在事实并非一定如此。”
将来，本文可为开发更高效的太阳能电池和太阳能技术提供信息。更具体地说，该研究强调了使用具有高发光效率的供体和受体材料以及延伸到近红外区域的互补光吸收带的好处。事实上，当太阳能电池暴露在阳光下时，这些材料可以帮助最大限度地收集光子。
“在我们接下来的研究中，我们计划进一步探索我们发现的影响，”布雷达斯说。“更具体地说，我们希望更好地了解活性层的实验处理如何影响层的形态、电子特性，以及最终的整体器件性能和稳定性。Linköping 和 Arizona 小组也非常热衷让他们的合作继续下去，因为这是一个完美的例子，说明我们一起做的事情不仅仅是部分的总和。”
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