对能量损失的新见解为一项崭露头角的太阳能技术打开了大门

有机太阳能电池是一项具有很大前景的新兴技术。与无处不在的硅太阳能电池板不同，它们具有轻巧、灵活和呈现多种颜色的潜力，使它们对城市或立面应用特别有吸引力。然而，随着研究人员努力了解有机太阳能电池如何运作的基本过程，器件性能的持续进步一直缓慢。

现在，普林斯顿大学和阿卜杜拉国王科技大学的工程师已经描述了一种表达有机太阳能电池能量损失的新方法，并扩展了该描述，为设计最佳设备提供了建议。这一突破可以重新构想构建有机太阳能电池的传统方法。他们的工作于11月18日在焦耳发表。

“传统上有一种描述和定义有机太阳能电池中能量损失的方式。事实证明，这种描述并不完全正确，“该研究的合著者，电气和计算机工程副教授以及安德林格能源与环境中心的Barry Rand说。

兰德指出，描述能量损失的传统方法并不能解释有机太阳能电池中存在无序。一种类型的紊乱，动态无序，是由分子在微观水平上的不稳定运动引起的，导致能量损失，这在大多数温度下实际上是不可避免的。另一种类型，结构或静态无序，是有机太阳能电池中使用的各种材料的内在结构以及它们在设备内的排列的产物。

过去对有机太阳能电池的研究没有考虑能量损失计算中的无序，无论器件的材料如何，产生的值都在0.6电子伏特左右。但是，当兰德和他的团队将无序纳入他们计算能量损失和测试各种设备的方式时，他们发现无序水平在确定有机太阳能电池的整体能量损失中起着重要作用。

“随着太阳能电池的无序性增加，我们看到我们的非辐射能量损失组件 - 我们可以控制的组件 - 迅速增长，”兰德说。“非辐射能量损失随着无序成分的平方而增长。

在证明增加无序导致设备中能量损失急剧增加之后，研究人员能够对最小化无序的材料提出建议，从而产生更高效的设备。由于科学家可以选择他们使用的材料以及如何将它们排列在有机太阳能电池中，因此他们可以控制给定设备中的结构无序水平。

在设计有机太阳能电池时，研究人员可以专注于创建均匀的材料混合物，其中薄膜的各个部分要么都是结晶的，要么是全非晶的，或者是一种异质混合物，其中薄膜的某些部分是结晶的，而其他部分是无定形的。

通过他们的工作，兰德的团队证明，在建造有机太阳能电池时，均质混合物占主导地位。对于性能更好的有机太阳能电池，兰德说，科学家应该使用高结晶或高度无定形的材料，并避免在设备中混合两者。

“如果你有任何介于两者之间的东西，一些异质性，其中薄膜的某些部分略微结晶，某些部分是无定形的，那就是你失去最多能量的时候，”兰德说。

这一发现打破了常规，因为研究人员以前认为太阳能电池混合物中的某种程度的异质性有利于整体性能。但是，由于兰德的团队发现异质器件混合物具有高水平的无序性并损失了大量能量，他说他们的发现可以为研究人员提供新的焦点，因为他们追求更高效的有机太阳能电池。

“异构性通常是设备的焦点。一定程度的结晶度被认为是有益的。但事实证明，这不是我们看到的，“兰德说。他指出，当今许多性能最佳的有机太阳能电池都是由高度无定形的薄膜组成的，并建议使用现有技术，完全无定形的混合物比完全结晶的混合物更实用。

尽管他的团队的研究主要是为了了解有机太阳能电池背后的科学，但兰德希望其他人可以利用他们的工作来构建更高效的设备，并最终为这种有前途的太阳能技术达到新的性能基准。

“这一发现是有机太阳能电池的另一个方面，我们可以将其添加到我们已经知道的内容中，这将有助于我们提高其效率，”兰德说。