光伏將在未來的能源供應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。例如，基于硅(一種眾所周知的半導(dǎo)體材料)的傳統(tǒng)太陽能電池已經(jīng)高度開發(fā)并廣泛使用。然而，它們的生產(chǎn)很復(fù)雜，因為它需要高溫下的高真空。用于生產(chǎn)的能源可能需要長達(dá)五年的時間才能被運營所抵消。

這就是基于有機(jī)半導(dǎo)體的太陽能電池可以發(fā)揮作用的地方，因為它們可以以節(jié)省能源和成本的方式進(jìn)行印刷。然而，能量轉(zhuǎn)換存在一些限制，需要更詳細(xì)地研究。由開姆尼茨理工大學(xué)凝聚態(tài)光學(xué)和光子學(xué)教授領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組研究了哪些主要因素對有機(jī)太陽能電池的功率限制具有決定性意義。

該研究的主要作者是克里斯托弗·沃普克，他是開姆尼茨科技大學(xué)凝聚態(tài)光學(xué)和光子學(xué)教授的研究助理。拜羅伊特大學(xué)、伯爾尼大學(xué)(瑞士)、達(dá)勒姆大學(xué)(英國)、埃爾蘭根-紐倫堡大學(xué)和先進(jìn)光源伯克利實驗室(美國)的科學(xué)家加入了他的研究。除其他外，該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)傳輸阻力尤其嚴(yán)重限制了有機(jī)太陽能電池的性能。

這些結(jié)果對于開發(fā)更高效的太陽能電池以實現(xiàn)高通量生產(chǎn)的重要性在能源轉(zhuǎn)型的背景下尤為明顯。由于與硅對應(yīng)物不同，有機(jī)半導(dǎo)體已經(jīng)可以在室溫下使用印刷工藝制造，因此它們在生產(chǎn)過程中所需的能源顯著減少，并且具有相當(dāng)程度的光伏轉(zhuǎn)換效率。此外，新型有機(jī)太陽能電池在實驗室條件下的效率接近20%。這使他們越來越具有競爭力。

該研究結(jié)果已發(fā)表在《自然通訊》上。

運輸阻力的關(guān)鍵重要性得到證明

太陽能電池中的有機(jī)半導(dǎo)體可以很好地捕捉太陽光，將太陽能高效地轉(zhuǎn)化為電能，能量平衡非常好。然而，這些材料中電荷載流子的低遷移率仍然是一項主要的技術(shù)任務(wù)。這是因為電導(dǎo)率和效率取決于它。一個眾所周知的挑戰(zhàn)是，在復(fù)合發(fā)生之前，必須從有機(jī)太陽能電池中提取慢載流子。這是使用太陽能的唯一方法。

就在幾年前，弗賴堡和波茨坦的科學(xué)家就有機(jī)太陽能電池描述的另一個挑戰(zhàn)是最大功率點的光電壓損失。這是由于緩慢移動的電荷載體。隨著有機(jī)太陽能電池的老化，這種損失變得更加明顯，這對效率有負(fù)面影響。理解這種損耗機(jī)制的重要性，即由于傳輸電阻引起的電壓損耗，只有在Chemnitz研究人員現(xiàn)在發(fā)表的出版物中才真正變得清晰。

有機(jī)材料老化導(dǎo)致的更多缺陷

由稱為非富勒烯受體的聚合物和分子的混合物組成的高效有機(jī)太陽能電池以不同的加速方式老化。參與的科學(xué)家使用互補的方法研究了這些光伏設(shè)備。

“對于高溫下的熱加速降解，我們能夠證明吸收材料和界面的特性保持非常穩(wěn)定，”CarstenDeibel教授說。吸收材料是光吸收層。該界面描述了兩個半導(dǎo)體接觸電極的所有區(qū)域。

Deibel說，一個例外是由于光敏層納米結(jié)構(gòu)的變化而導(dǎo)致的與老化相關(guān)的缺陷態(tài)形成，該團(tuán)隊能夠觀察到這一點。研究小組發(fā)現(xiàn)，傳輸阻力的相關(guān)增加是由于加速熱降解而導(dǎo)致填充因子降低的主要原因。填充因子是用于確定太陽能電池性能的三個因素之一。由于老化導(dǎo)致的較低填充因子因此降低了能量轉(zhuǎn)換的效率。

“我們需要廣泛的補充方法來區(qū)分吸收層和電極界面的變化，以及重組和傳輸阻力。因此，所有團(tuán)隊的多學(xué)科專業(yè)知識都是無價的，”Wöpke強(qiáng)調(diào)說。

“我們研究的一個關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，傳輸阻力是現(xiàn)代有機(jī)太陽能電池中一個主要的性能限制機(jī)制，需要解決，”Deibel教授補充道。“即使是新加工的光伏器件也會出現(xiàn)這種損失，即使是輕微抑制陷阱形成也可以克服。”

未來的研究將探索減少陷阱形成和提高有機(jī)太陽能電池電導(dǎo)率的方法。

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