a)有机太阳能电池活性层内电子和空穴复合的图示，这可能导致辐射衰减和光子发射。b)施主/受主界面的相关电子态:基态、电荷转移态和强吸收/发射局域激子态的势能曲线。c)在传统的基于富勒烯的有机太阳能电池(紫色点)和最先进的非富勒烯有机太阳能电池(橙色点)中，非辐射电压损失作为电流状态能量的函数的分布。信用:陈等。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法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克平大学的研究人员最近进行了一项研究，旨在更好地理解有机太阳能电池中的非辐射电压损失。他们发表在《自然能源》上的论文描述了富勒烯和非富勒烯太阳能电池中能量损失的方式。
“请注意，光子吸收会导致活性层的电子受体和/或电子供体成分形成激发态，”进行这项研究的研究人员之一让-吕克·布雷达(Jean-Luc Bredas)告诉TechXplore。“这种激发态在受体和供体成分之间的界面上演变成所谓的电荷转移(CT)电子态。然后，这种电流互感器状态可以离解成自由电荷载流子，或者衰减到基态。”
在电流互感器状态解离成自由电荷载流子后，这些载流子应该理想地移动到电极，在那里它们最终被提取出来。然而，在这一过程中，其中一些电荷载流子也可以通过一种被称为双分子复合的过程进行复合。
双分子复合过程也通过电流变状态发生。因此，为了优化有机太阳能电池的效率，应该最小化CT状态的非辐射衰减。在他们的论文中，亚利桑那和林克平团队及其同事提供了有机太阳能电池中非辐射电压损失的统一描述。
“我们能够同样好地描述富勒烯基和非富勒烯基太阳能电池的情况，”布雷达斯解释说。“这个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科平进行的实验工作而达成的。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/或供体内的强吸收态。”
以前提出的非辐射衰变模型没有考虑受体和/或供体中的强吸收状态。因此，他们未能提供非辐射电压损失的完整图像，而这是完全理解其影响所必需的，尤其是对高效的非ullerene基太阳能电池。相比之下，Bredas和他的同事的理论模型描述了富勒烯基和非富勒烯基太阳能电池中的非辐射能量损失。
从实验的角度来看，林克平大学的团队能够描述30多个系统的电流互感器状态和太阳能电池参数。这些系统包括富勒烯基和非富勒烯基活性层。
Bredas说:“这些努力的结合为高效非ullerene基有机太阳能电池具有小能量/电压损失的原因提供了前所未有的深入理解。
在他们的调查过程中，布雷达斯和他的同事们做了一些有趣的观察。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，在不牺牲或影响电荷产生效率的情况下，可以降低电压损失。
“太阳能电池能产生的功率是电流乘以电压，”Bredas说。“降低电压损耗显然会增加可以产生的最大电压。社区中有人担心，降低电压损失的方式也会降低电荷产生，从而降低可产生的最大电流。我们表明，事实上根本不一定如此。”
未来，本文将为更高效的太阳能电池和太阳能技术的发展提供参考。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学吸收带的好处。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的发现的含义，”Bredas说。“更具体地说，我们希望更好地了解有源层的实验处理如何影响该层的形态、其电子特性以及最终的整体器件性能和稳定性。林克平集团和亚利桑那州集团也非常希望继续合作，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各部分的总和。”
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