基于有機(jī)分子的太陽能電池提供了優(yōu)于將光轉(zhuǎn)化為電能的傳統(tǒng)裝置的潛在優(yōu)勢(shì)。這些有機(jī)太陽能電池價(jià)格低廉、耐用且易于制造。然而，有機(jī)電池尚不具備與傳統(tǒng)設(shè)備相匹配的性能?？茖W(xué)家們提高性能的努力受到了他們對(duì)光激發(fā)(或“光激發(fā)”)電子如何成為“自由載流子”的有限理解的限制。

原則上，自由載流子流過材料并以電流的形式出現(xiàn)。先前的科學(xué)研究表明，光激發(fā)導(dǎo)致由電子和空穴組成的緊密結(jié)合對(duì)。這些研究沒有描述如何克服強(qiáng)結(jié)合力以形成自由載體。這項(xiàng)新研究表明，相鄰分子上的更多位點(diǎn)可以接受電子，從而解釋了自由載流子是如何直接形成的。

這項(xiàng)研究發(fā)表在MaterialsHorizo??ns上，開發(fā)了一種稱為分布范圍電子轉(zhuǎn)移(DRET)的新模型。以前在有機(jī)太陽能電池中產(chǎn)生自由載流子的模型通常會(huì)引用新的物理現(xiàn)象來解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。特別是，他們說自由載流子可以在傳統(tǒng)上難以分離和使用相反電荷的材料中以接近100%的效率形成。

在這項(xiàng)新研究中，科學(xué)家們使用成熟的概念提出了一種更簡(jiǎn)單的替代方案。他們依賴于一個(gè)簡(jiǎn)單的分子中電子轉(zhuǎn)移過程模型，稱為馬庫斯理論，魯?shù)像R庫斯在1992年因該模型獲得諾貝爾獎(jiǎng)。新的DRET模型可以解鎖高效有機(jī)太陽能電池的新途徑。

新模型由國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的研究人員開發(fā)，使用已建立的概念(包括Marcus電子轉(zhuǎn)移理論)解釋了有機(jī)太陽能電池中自由載流子的產(chǎn)生，并考慮了與電荷轉(zhuǎn)移界面相關(guān)的熵和遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)移事件的可能性。該模型表明，溶液相電子轉(zhuǎn)移過程的現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)則可以應(yīng)用于有機(jī)光伏系統(tǒng)。

首先，這些規(guī)則包括使用眾所周知的吉布斯能量項(xiàng)計(jì)算驅(qū)動(dòng)力。二是確定重組能的作用。第三，確定了控制電子耦合距離依賴性的因素。

該模型擬合使用時(shí)間分辨微波電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以繪制出自由載流子生成效率的正常、最佳和倒置狀態(tài)。與有機(jī)光伏器件中長(zhǎng)期觀察到的行為的定性一致為理解溶液和固相系統(tǒng)中光致電子轉(zhuǎn)移的產(chǎn)物提供了一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)。這種新模型的集成有效地捕捉了組成有機(jī)太陽能電池分層結(jié)構(gòu)的組件的離散分子性質(zhì)可以使研究人員開發(fā)用于更有效的電荷產(chǎn)生過程的材料。

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