研究人员通过开发有机半导体来提高太阳能的收集能力,这种有机半导体提供了一种更便宜、适应性更强的硅替代品。最近的一项突破表明,这些材料可以通过电子获得能量的独特机制实现更高的效率,为更有效的太阳能电池和燃料生产技术铺平了道路。
新的研究部分解释了这一例外一类新型有机半导体的Nal性能称为非富勒烯受体(nfa)的导体。
太阳能在向清洁能源的未来过渡中起着至关重要的作用。通常,硅是一种日常电子产品中常见的半导体,用于收集太阳能。然而,硅太阳能电池板有其局限性——它们价格昂贵,而且很难安装在曲面上。
研究人员已经开发出太阳能收集的替代材料来解决这些缺点。其中最有前途的是所谓的“有机”半导体,这是一种碳基半导体,在地球上储量丰富,价格便宜,而且对环境友好。
堪萨斯大学物理学和天文学副教授陈伟伦说:“它们有可能降低太阳能电池板的生产成本,因为这些材料可以用基于解决方案的方法涂在任意表面上,就像我们如何涂墙一样。”“这些有机材料可以调谐以吸收选定波长的光,这可以用来制造透明的太阳能电池板或不同颜色的电池板。这些特点使得有机太阳能电池板特别适合用于下一代绿色和可持续建筑。”
虽然有机半导体已经用于手机、电视和虚拟现实耳机等消费电子产品的显示面板,但它们尚未广泛应用于商业太阳能电池板。有机太阳能电池的一个缺点是其光电转换效率低,约为12%,而单晶硅太阳能电池的效率为25%。
根据Chan的说法,有机半导体中的电子通常与它们的正极对应物结合,称为“空穴”。这样,被有机半导体吸收的光通常会产生被称为“激子”的电中性准粒子。
非富勒烯受体的突破
但最近一类新型有机半导体的发展,即非富勒烯受体(nfa),改变了这种模式。用nfa制成的有机太阳能电池可以达到接近20%的效率。
尽管它们具有出色的性能,科学界仍然不清楚为什么这种新型nfa显著优于其他有机半导体。
在一项发表在《先进材料》杂志上的突破性研究中,Chan和他的团队,包括来自物理和天文学系的研究生Kushal Rijal(第一作者)、neo Fuller和Fatimah Rudayni,以及与KU化学教授Cindy Berrie合作,发现了一种微观机制,部分解决了NFA所取得的卓越性能。
第一作者Kushal Rijal(右)和eno Fuller(左)使用图中所示的超高真空光发射光谱系统进行了TR-TPPE测量。来源:库沙尔和富勒
这一发现的关键是主要作者Rijal使用一种被称为“时间分辨双光子光电发射光谱”或TR-TPPE的实验技术进行的测量。这种方法使研究小组能够以亚皮秒的时间分辨率(不到一万亿分之一秒)跟踪激发电子的能量。
“在这些测量中,Kushal [Rijal]观察到NFA中的一些光激发电子可以从环境中获得能量,而不是向环境损失能量,”Chan说。“这一观察结果是违反直觉的,因为受激发的电子通常会向环境失去能量,就像一杯热咖啡向周围环境失去热量一样。”
该团队的工作得到了能源部基础能源科学办公室的支持,他们认为,由于电子的量子行为,这种不寻常的过程可以在微观尺度上发生,这使得一个被激发的电子可以同时出现在几个分子上。这种量子怪异与热力学第二定律相吻合,该定律认为,每一个物理过程都会导致总熵的增加(通常被称为“无序”),从而产生不寻常的能量增益过程。
“在大多数情况下,一个热的物体将热量传递给它寒冷的环境,因为热量传递会导致总熵的增加,”Rijal说。“但我们发现,对于以特定纳米级结构排列的有机分子,热流的典型方向被逆转,以增加总熵。这种反向热流允许中性激子从环境中获得热量,并解离成一对正电荷和负电荷。这些自由电荷反过来又能产生电流。”
对未来能源解决方案的启示
基于他们的实验发现,研究小组提出,这种熵驱动的电荷分离机制可以使用nfa制成的有机太阳能电池获得更好的效率。
Rijal说:“了解潜在的电荷分离机制将使研究人员能够设计出新的纳米结构,利用熵来引导热量或能量在纳米尺度上的流动。”“尽管熵在物理和化学中是一个众所周知的概念,但它很少被积极地用于改善能量转换设备的性能。”
不仅如此,堪萨斯大学的研究小组认为,这项研究发现的机制可以用来生产更高效的太阳能电池,他们还认为,这可以帮助研究人员设计出更高效的太阳能燃料生产光催化剂,这是一种利用阳光将二氧化碳转化为有机燃料的光化学过程。
参考文献:“非富勒烯受体/聚合物体异质结中自发发生的吸热电荷分离”,由Kushal Rijal, neo Fuller, Fatimah Rudayni,张楠,左晓冰,Cindy L. Berrie, Hin-Lap Yip和Wai-Lun Chan, 2024年5月19日,Advanced Materials。DOI: 10.1002 / adma.202400578