北京
新论文为突破这一局限提供了路线图。
一支国际研究团队揭示了限制有机太阳能电池性能的隐藏机制，这一发现有望帮助其突破20%的效率障碍。
这项研究由瑞典林雪平大学、德国波茨坦大学和柏林保罗·德鲁德研究所的科学家领衔，阐明了一个有机光伏发展中长期存在的难题。
有机光伏太阳能电池为传统光伏提供了一种原料丰富、低能耗的替代方案，并有可能以比第一代和第二代太阳能技术更低的成本发电。
据该团队称，这些发现将为制造更高效的太阳能电池提供路线图，使其能够与已经成熟的硅基技术竞争。
太阳能电池中的一个谜团
太阳能电池的性能由三个因素决定：短路电流、开路电压和填充因子。虽然这三个因素共同影响着器件的发电量，但提升其中一个往往需要牺牲另一个。
因此，多年来研究人员一直在有机太阳能电池中苦苦应对一个难以消除的权衡问题。试图提高开路电压常常导致填充因子下降，而填充因子的改善又往往会降低电压。
随着有机太阳能电池效率攀升至20%以上，这一权衡变得愈发难以克服。为应对这一挑战，波茨坦大学的迪特·内尔博士、林雪平大学的高峰博士以及保罗·德鲁德固体电子学研究所的萨法·肖伊博士携手探究其根本原因。
该团队与领域内其他专家合作，研究了为何有机太阳能电池在更高性能水平下效率增益开始放缓。结果表明，在特定条件下，太阳能电池活性层中自由电荷的产生严重依赖于有机半导体材料中的电场。
波茨坦大学物理学教授内尔指出：“这造成了一个此前理解不清的填充因子限制，当需要将电压损失降至最低时，这一限制变得尤为突出。”
深入瓶颈内部
阳光照射有机太阳能电池时，会产生激子，即带负电的电子与带正电的空穴形成的束缚对。由于这些束缚对不能自由移动，它们必须首先分离成自由电荷才能产生电流。
通过模拟整个太阳能电池，团队发现两个因素在这一过程中起着关键作用：激子的存活时间以及电荷转移过程中释放了多少能量。这两个参数被确定是在低电压损失下决定填充因子的最重要因素。
内尔在一份新闻稿中总结道：“我们成功将填充因子与开路电压之间的权衡追溯到少数几个物理量，并模拟出通过延长激子寿命可以如何显著缓解这一局限。”
团队证明，延长激子寿命能够显著减轻这一问题。为验证这一概念，他们还开发了新的有机材料组合，并用其制备了太阳能电池。这些器件同时实现了高填充因子和强劲的整体功率输出。
据研究人员称，这些发现提供了通用的设计原则，可指导未来有机光伏材料和器件架构的开发。
该研究已发表在《自然·光子学》期刊上。
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