太陽能是綠色環(huán)保可持續(xù)清潔能源，太陽能光伏發(fā)電已成為新興產(chǎn)業(yè)。利用晶硅等無機半導(dǎo)體的傳統(tǒng)光伏發(fā)電造價昂貴，科學家便把目光轉(zhuǎn)向有機材料太陽能電池領(lǐng)域。

如何實現(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)化效率，設(shè)計制備新的有機光電材料，需要弄清楚發(fā)電的微觀過程。近日，南京大學物理學院團隊的一項最新成果，揭示了高效有機光伏材料光電轉(zhuǎn)換過程的新機制，在線發(fā)表在《美國化學學會會志》上。

中國科學家領(lǐng)先有機太陽能電池發(fā)展

什么是有機光伏材料？論文通訊作者、南京大學物理學院張春峰教授科普道，常見高效的有機光伏器件采用聚合物給體和小分子受體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，小分子受體材料又包括富勒烯衍生物受體材料和非富勒烯受體材料。

張春峰說，由這些有機光電材料組成的器件具有良好的延展性，類似塑料用來發(fā)電?！斑@種材料超薄、柔性，還可折疊，原則上可以貼在車窗表面，也可以像衣服一樣穿在身上，低成本、輕便還容易攜帶，如果提高這種塑料材料的發(fā)電效率，那以后大到太陽能建筑、太陽能汽車，小到可穿戴設(shè)備、我們的手機殼，都可以實現(xiàn)隨時隨地輕松發(fā)電?！?

“在過去，富勒烯衍生物受體材料因具有良好的電子傳輸性能受到學界熱切關(guān)注，但因其可見光吸收弱、調(diào)節(jié)能級較難等缺點，能量轉(zhuǎn)化率最高只達到11%-12%，繼續(xù)發(fā)展遭遇瓶頸?！睆埓悍甯嬖V記者，近些年中國學者獨辟蹊徑，發(fā)展了多種非富勒烯受體，器件性能取得了很大突破。受益于非富勒烯受體的開發(fā)，單節(jié)器件的能量轉(zhuǎn)換效率已超過18%，效率甚至可以跟硅基薄膜技術(shù)相比擬，“可以說，在有機太陽能電池領(lǐng)域，中國科學家處于比較領(lǐng)先的位置?！?

“電光石火”一瞬，發(fā)現(xiàn)新的轉(zhuǎn)換通道

非富勒烯受體材料大幅提高了有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，但至今為止，光電轉(zhuǎn)換的動力學原理還并不清晰。這種塑料材料太陽能電池內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換可謂倏忽一瞬，如何捕捉其內(nèi)部的變化過程？有機材料接受了光以后，又是如何發(fā)電的？

為了了解該過程，張春峰團隊進行了極其精細的超快光譜工作，通過“慢動作”觀察到光子到電子的轉(zhuǎn)換過程。張春峰打了個比方說，實驗使用了10飛秒的超快脈沖激光光譜學，相當于一臺極快的“相機”，一秒鐘產(chǎn)生10的14次方的圖像，這樣可以將一些微小瞬時的變化信息完整記錄，動態(tài)監(jiān)測了光子轉(zhuǎn)化為電子的動力學行為。

“過去大家認為界面態(tài)對光電轉(zhuǎn)換很重要，在實驗中我們發(fā)現(xiàn)，非富勒烯體系中，空穴轉(zhuǎn)移過程中體態(tài)貢獻同等重要?！睆埓悍灞硎?，實驗明確了分子聚集態(tài)在光電轉(zhuǎn)換過程中的重要作用，調(diào)控疇內(nèi)和界面間激發(fā)態(tài)的能級排列和相互作用有望成為優(yōu)化有機光伏器件性能的新策略，這個過程的厘清，能幫助大家重新設(shè)計一些新的材料，從而進一步提高有機材料的光電能量轉(zhuǎn)換效率。