将能量损失与有机太阳能电池中的界面联系起来可以使其更加高效

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北卡罗来纳州立大学的新研究让我们更深入地了解有机太阳能电池中光能转化为电能的具体过程。研究人员开发了一种新方法，可以可视化阳光能量转化为电荷的界面，并利用这些发现制定了一套可以提高有机太阳能电池效率的设计规则。
该项研究发表在《物质》杂志上。
有机太阳能电池由碳基聚合物材料制成，这种材料成本低廉，可由地球上储量丰富的材料制成，并且具有一些吸引人的特性，例如，它们可以制成半透明或透明的窗户应用。此外，作为薄膜太阳能电池，它们可以用于轻便灵活的太阳能应用，适合卷对卷制造，这也使它们易于运输和安装。
然而，有机太阳能电池在将光转化为电能方面的效率不如硅或钙钛矿太阳能技术。
“有机太阳能电池由两种材料混合而成，”该论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程系教授、大学学者阿拉姆·阿马西安 (Aram Amassian) 说道。
“这两种材料都从阳光中获取电子。然而，其中一种材料是聚合物，可以获取电子，但必须与第二种材料相互作用才能将这些电子传递下去。这种聚合物被称为供体材料；另一种物质，通常是小分子，被称为受体材料。
“我们知道供体和受体材料之间的界面是造成电压损失的原因，而电压损失是目前限制有机太阳能电池效率的原因。我们这项研究的目标是更深入地了解界面的哪些方面是造成电压损失的原因，以便我们能够改进它们。”
为了应对这一挑战，研究人员开发了一种扫描探针显微镜方法，使他们不仅可以绘制供体和受体混合物的地形特征，还可以绘制供体和受体材料在界面处的能量特征 - 例如界面处的能量梯度以及供体和受体材料在界面处的无序程度。
“这项技术使我们能够确定界面处供体和受体分子的无序程度如何影响能量无序，”该论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学物理学教授丹尼尔·多尔蒂 (Daniel Dougherty) 表示。“一旦我们绘制了所有这些界面的能量图，我们就能够将这些发现与表征有机太阳能电池电压损失整体性能的传统方法的结果进行比较。”
该团队还需要克服另一个关键挑战。由于扫描探针显微镜技术不能直接测量电压损失，因此该团队无法判断哪个界面是罪魁祸首。
“供体材料和受体材料的混合物会同时产生许多不同类型的界面，但尚不清楚哪些界面导致了电压损失，”Amassian 说。
“我们的研究表明，现代高性能有机太阳能电池（如 PM6:Y6）中的功能界面是尖锐的供体-受体界面，”Dougherty 说道。“研究结果表明，需要针对这种类型的界面进一步降低电压损失。”
“一旦我们确定了与电压损失相关的功能接口，我们就会进行一系列调查，以了解哪些因素影响了电压损失，”阿马西安说。
“有机太阳能电池领域一直存在着一场争论，有人认为电压损失是由供体和受体材料之间的能量差异造成的，有人认为电压损失是由界面上的能量紊乱造成的。我们的实验表明，双方的观点都是正确的——这是两种因素的结合。”
研究人员成功证明，通过改变制造过程中供体和受体的混合方式，可以“修复”能量差异并调整界面处的无序性，从而尽可能减少电压损失。
阿马西安说：“通过控制电压损失的驱动因素之一，我们实际上能够找到工程解决方案，帮助有机太阳能电池界最大限度地减少电压损失的另一个驱动因素。”
“从本质上讲，通过选择一对能量偏移最小的材料可以降低电压损失。然后，从业者可以通过确定一种溶剂和工艺参数来进一步减少能量损失，从而大大减少界面紊乱。我们乐观地认为，使用这种技术开发的设计规则可以为有机太阳能电池的研究和开发提供参考。”