有机半导体有望为太阳能应用带来革命性变化

太阳能在向清洁能源未来过渡的过程中发挥着至关重要的作用。通常，日常电子产品中常见的半导体硅被用来收集太阳能。然而，硅太阳能电池板有其局限性--成本高昂，而且难以安装在曲面上。新研究部分解释了一类新型有机半导体--非富勒烯受体（NFAs）--的优异性能。

研究人员已经开发出用于太阳能收集的替代材料，以解决这些缺陷。其中最有前途的是被称为"有机"半导体的碳基半导体，这种半导体在地球上资源丰富，成本较低，而且对环境友好。

堪萨斯大学物理和天文学副教授Wai-Lun Chan说："它们有可能降低太阳能电池板的生产成本，因为这些材料可以使用基于溶液的方法涂覆在任意表面上--就像我们粉刷墙壁一样。这些有机材料可以在选定的波长下吸收光线，可用于制造透明的太阳能电池板或不同颜色的电池板。这些特性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。"

虽然有机半导体已被用于手机、电视和VR头显等消费电子产品的显示面板，但尚未广泛用于商用太阳能电池板。有机太阳能电池的一个缺点是光电转换效率较低，约为 12%，而单晶硅太阳能电池的转换效率可达 25%。

根据 Chan 的说法，有机半导体中的电子通常会与被称为"空穴"的正电子结合。这样，有机半导体吸收的光通常会产生电中性的准粒子，即"激子"。

但是，最近一类被称为非富勒烯受体（NFAs）的新型有机半导体的开发改变了这一模式。使用非富勒烯受体（NFAs）制造的有机太阳能电池的效率可接近 20% 大关。

尽管性能出众，但科学界仍不清楚这一类新型非氟烷烃为何明显优于其他有机半导体。

在发表于《先进材料》（Advanced Materials）上的一项突破性研究中，陈和他的团队，包括物理和天文学系的研究生库沙尔-里贾尔（Kushal Rijal，第一作者）、内诺-富勒（Neno Fuller）和法蒂玛-鲁达尼（Fatimah Rudayni），与昆士兰大学化学教授辛迪-贝里（Cindy Berrie）合作，发现了一种微观机制，部分解决了无损检测器所取得的卓越性能。

主要作者 Kushal Rijal（右）和 Neno 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。图片来源：Kushal 和 Fuller

这一发现的关键在于领衔作者里贾尔利用一种被称为"时间分辨双光子光发射光谱"（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级的时间分辨率（小于一万亿分之一秒）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，而不是向环境中损失能量，"Chan说。"这一观察结果与直觉相反，因为激发电子通常会向环境中损失能量，就像一杯热咖啡向周围环境中损失热量一样。"

该研究小组的工作得到了美国能源部基础能源科学办公室的支持，他们认为，这种不寻常的过程之所以能在微观尺度上发生，是因为电子的量子行为允许一个激发电子同时出现在多个分子上。热力学第二定律认为，每个物理过程都会导致总熵（通常称为"无序"）的增加，这种量子怪异性与热力学第二定律相结合，产生了不寻常的能量增益过程。

Rijal说："在大多数情况下，热物体会将热量传递给周围的冷物体，因为热量传递会导致总熵增加。但我们发现，对于以特定纳米级结构排列的有机分子来说，典型的热流方向是相反的，这样总熵才会增加。这种反向热流允许中性激子从环境中获得热量，并解离成一对正负电荷。这些自由电荷反过来又能产生电流"。

根据他们的实验结果，研究小组提出，这种由熵驱动的电荷分离机制可使使用 NFA 制造的有机太阳能电池获得更高的效率。

Rijal说："了解了电荷分离的基本机制，研究人员就能设计出新的纳米结构，利用熵的优势在纳米尺度上引导热量或能量流动。尽管熵是物理学和化学中一个众所周知的概念，但很少有人积极利用它来提高能量转换设备的性能。"

不仅如此：科大团队认为，这项工作中发现的机制不仅可以用来生产更高效的太阳能电池，还可以帮助研究人员设计出更高效的光催化剂，用于太阳能燃料生产，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。

编译自/ScitechDaily