一個國際研究團隊揭示了限制有機太陽能電池性能的隱藏機制，並可能幫助其突破 20% 的效率障礙。這項研究由瑞典林雪平大學、德國波茨坦大學及柏林保羅·德魯德研究所的科學家主導，為有機光伏（OPV）的發展長期挑戰提供了新見解。有機光伏太陽能電池提供了一種豐富、低能量的替代方案，並具潛力以低於第一代和第二代太陽能技術的成本發電。根據團隊的説法，這些發現可能為創造更高效的太陽能電池提供一條路徑，使其能夠與已建立的硅基技術競爭。
有機太陽能電池的效率提升面臨挑戰
太陽能電池的性能由三個因素決定，包括短路電流、開路電壓和填充因子。這三者都會影響設備能產生多少電力，但改善其中一項往往會以另一項為代價。因此，研究人員多年來一直在有機太陽能電池中面臨持續的權衡。試圖提高開路電壓的努力常常導致填充因子降低。同時，填充因子的改善則常常會減少電壓。隨著有機太陽能電池的效率突破 20% 的界限，這一權衡變得愈加難以克服。為瞭解決這一挑戰，波茨坦大學的 Dieter Neher 博士、林雪平大學的 Feng Gao 博士以及柏林保羅·德魯德研究所的 Safa Shoaee
博士聯手調查其根本原因。團隊與該領域的其他專家合作，研究有機太陽能電池效率提升在高性能水平時為何開始放緩。
研究結果顯示，在特定條件下，太陽能電池的主動層中自由電荷的產生在很大程度上依賴於有機半導體材料中的電場。「這導致填充因子受到先前理解不足的限制，當需要最小化電壓損失時，這一限制尤為重要。」Neher 指出，他是波茨坦大學的物理學教授。
陽光照射到有機太陽能電池上時，會產生激子，這是帶有負電的電子和帶有正電的空穴的束縛對。由於這些對無法自由運動，它們必須首先被分裂成能夠產生電力的自由電荷。通過對整個太陽能電池的模擬，團隊發現了兩個在這一過程中起關鍵作用的因素：激子的存活時間和在電荷轉移過程中釋放的能量。這兩個參數被確定為在低電壓損失情況下填充因子的最重要決定因素。「我們能夠將填充因子與開路電壓之間的權衡追溯到幾個物理量，並模擬如何通過延長激子的壽命來顯著減輕這一限制。」
Neher 在新聞稿中總結道。
延長激子壽命可提升太陽能電池性能
團隊證明，延長激子的壽命可以顯著減少這一問題。為了驗證這一概念，他們還開發了新的有機材料組合，並用這些材料製造了太陽能電池。這些設備提供了高填充因子和強大的整體電力輸出。根據研究人員的説法，這些發現提供了可指導未來有機光伏材料和設備架構開發的一般設計原則。該研究已發表在《自然光子學》期刊上。