有機太陽能電池通過兩步結晶工藝實現 21% 的效率。

儘管當今市場上的大多數太陽能電池都是基於矽的，但能源工程師最近一直在評估基於其他光伏 (PV) 材料的替代電池的性能。這些替代品包括所謂的有機太陽能電池（OSC）、基於有機半導體材料的輕質柔性電池。

OSC 的運行基於所謂的活性層，該結構由兩種不同類型的材料（稱為施主材料和受主材料）組成。兩種材料都吸收陽光並產生激子，激子在供體和受體材料之間的界面處解離成電子和空穴。然後，供體材料攜帶空穴，受體傳輸電子並促進它們穿過設備以產生電力。

與傳統的矽基太陽能電池相比，OSC 更加靈活、輕便、價格實惠，並且更容易適應特定應用，例如通過改變其顏色或透明度。然而，它們將太陽能轉化為電能的效率仍然明顯低於商用光伏發電（PV）。

提高 OSC 效率的一種有前途的策略是使用一類稱為非富勒烯受體 (NFA) 的受體材料。不幸的是，這些材料中的有機分子已被證明很難結晶成均勻的晶格，從而實現所需的效率增益。

香港理工大學、四川大學等機構的研究人員最近推出了一種新的兩步結晶工藝，可以生產出更均勻的NLC。使用文章中概述的這種方法 發表 V 自然能源他們能夠獲得高質量的受體材料，從而顯著提高 OSC 的效率。

該論文的資深作者 Gan Li 教授告訴 Tech Xplore：“OSC 活性層由供體 (D) 和受體 (A) 材料的混合物組成，以及活性層中供體和受體分子的納米級排列（形態）是提高器件效率的關鍵，但仍然具有挑戰性。”

“在這項工作中，我們引入苊 (AP) 作為結晶控製劑來控制 NFA 的結晶動力學。所得的 OSC 活性層表現出前所未有的高度定向的 NFA 分子堆疊，具有明顯的布拉格點。我們實現了 21% 的 PCE（經認證的 20.5%），最大 FF 為 83.2%（經認證的 82.2%）。”

二十年前，李教授發表 文檔在 天然材料他報告了一種改善 OSC 形態的新方法。在這篇論文中，他表明聚合物分子的自組織可以顯著提高OSC中聚合物-富勒烯活性層的結晶度，從而提高其效率。

基於這一發現，他開始尋找可以改善 OSC 活性層結晶的有前景的策略。這最終促成了他與中國各地不同機構的研究人員合作進行的最新研究。

“在這項工作中，我們首先採用逐層沉積供體和受體並形成雙連續相的方法，以在活性層中實現完美的垂直相分離，”李教授解釋道。 “結晶控製劑苊是控制聚合物供體薄膜頂部 NFA 層結晶動力學的關鍵，從而使活性層在准單晶水平上有序化。”

為了評估新提出的結晶過程的潛力，研究人員使用各種方法觀察了有機受體薄膜的形成。此外，他們依靠基於量子力學的計算方法（即進行功能理論計算）來模擬分子和他們使用的調節劑之間的相互作用。

“我們證實苊會誘導兩步結晶並持續延遲結晶，從而產生高質量的結晶 NFA 和優化的 OSC 形態，”李教授說。 “事實證明，這一策略在幾種先進的 OSC 材料系統中非常有效。”

研究人員使用的調節劑輔助沉積策略實現了同質 NFA，然後將其集成到二元 OSC 中。人們發現這些太陽能電池的效率高達 21%，這對於 OSC 來說是非常了不起的，但仍然不如矽太陽能電池那麼高。

“高效率和穩定性是 OSC 等新型太陽能電池的關鍵要求，”李教授補充道。 “通過滿足這些要求，OSC 技術可以實現太陽能的改進和新應用，包括靈活、輕便、便攜、美觀、可定制的半透明太陽能應用。

“我們現在將繼續提高 OSC 的性能——效率和穩定性。我們還將致力於開發良好的 OSC 外形（靈活、美觀、透明等）以及可擴展的製造技術，並嘗試將這些電池與其他類型的設備集成，以實現智能電動車窗等實際應用。”

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