聚合物分子的主要光致激發(fā)，會(huì)促進(jìn)形成一種激發(fā)態(tài)，稱為激子（exciton）。這隨后會(huì)離解，釋放出一個(gè)電子，然后傳輸?shù)诫娮邮荏w，來(lái)源：慕尼黑大學(xué)

有機(jī)太陽(yáng)能電池把陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電能，有望形成一種經(jīng)濟(jì)和環(huán)保時(shí)尚。挑戰(zhàn)在于，它們的運(yùn)行效率仍然低于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體。超快測(cè)量混合電池，揭示了一條途徑，可以使其效率翻番。

使用有機(jī)太陽(yáng)能電池，從陽(yáng)光生產(chǎn)電力，這就提供了一個(gè)有吸引力也有前途的基礎(chǔ)，會(huì)帶來(lái)一種創(chuàng)新環(huán)保的方法，進(jìn)行能源供應(yīng)。它們的制造可以相當(dāng)經(jīng)濟(jì)，而且因?yàn)樗鼈兪强蓮澢?，就像塑料包裝一樣，因此，可以靈活處理。問(wèn)題是，它們的效率仍然明顯低于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體電池。

最關(guān)鍵的工藝是，要把光轉(zhuǎn)換成電流就要生成自由載流子（charge carriers）。在第一步光伏轉(zhuǎn)化中，吸收光之后，有機(jī)太陽(yáng)能電池的一種組份，通常是一種聚合物，會(huì)釋放電子，吸收這些電子的是電池的第二種組份，在這種情況下就是硅納米粒子，然后，電子可以被進(jìn)一步傳輸。

“電荷分離的機(jī)制和時(shí)間表一直是爭(zhēng)議話題，科學(xué)辯論已有多年，”慕尼黑大學(xué)（LMU）物理學(xué)教授埃伯哈德•里德?tīng)枺‥berhard Riedle）說(shuō)。進(jìn)行合作的研究者來(lái)自慕尼黑理工大學(xué)（Technical University in Munich）和拜羅伊特大學(xué)（Bayreuth University），里德?tīng)柡退男〗M現(xiàn)已能夠詳細(xì)剖析這一過(guò)程。為了做到這一點(diǎn)，研究人員采用一種新型混合電池，這種電池包含有機(jī)和無(wú)機(jī)成分，其中的硅用作電子受體（electron acceptor）。根據(jù)這個(gè)系統(tǒng)獲得的洞察，他們開(kāi)發(fā)出一種處理策略，以增強(qiáng)這種聚合物的結(jié)構(gòu)排序，而且發(fā)現(xiàn)，這提高了電荷分離效率，在有機(jī)半導(dǎo)體中可提高兩倍。他們的研究結(jié)果提供了一種新的方法，可以優(yōu)化有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能。

這一突破的關(guān)鍵，在于一種獨(dú)特的、基于激光的實(shí)驗(yàn)裝置，這種裝置結(jié)合極高的時(shí)間分辨率和高帶寬檢測(cè)，分辨率達(dá)40飛秒（fs）。這使研究小組可以跟蹤光子吸收誘發(fā)的超快過(guò)程，實(shí)時(shí)跟蹤它們的發(fā)生。典型有機(jī)電池中使用富勒烯，相反，研究人員用硅作為電子受體，這一選擇具有兩大優(yōu)勢(shì)。

“首先，用這些新型混合太陽(yáng)能電池，我們可以探測(cè)聚合物中發(fā)生的光物理過(guò)程，精度更高，超過(guò)以往任何時(shí)候，其次，因?yàn)槭褂霉瑁蠓秶奶?yáng)光譜可以被用來(lái)發(fā)電，”里德?tīng)栒f(shuō)。事實(shí)證明，自由載荷子，就是所謂的極化子（polarons），不是在光致激發(fā)（photoexcitation）后立即產(chǎn)生，而是要延遲約140飛秒。聚合物分子的主要光致激發(fā)，會(huì)促進(jìn)形成一種激發(fā)態(tài)，稱為激子（exciton）。這隨后會(huì)離解，釋放出一個(gè)電子，然后傳輸?shù)诫娮邮荏w。

失去電子，會(huì)留下帶正電的“空穴”，在聚合物中，帶相反電荷的實(shí)體相互吸引，因?yàn)閹?kù)侖力（Coulomb force），兩者傾向于重新并合。“為了獲得自由載流子，電子和空穴都必須足夠活躍，以克服庫(kù)侖力，”丹尼爾•赫爾曼（Daniel Herrmann）解釋說(shuō)，他是這項(xiàng)新研究的第一作者。這一小組表明，這是第一次，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)容易多了，這是因?yàn)椴捎玫木酆衔锞哂姓R、均勻的結(jié)構(gòu)，而不是無(wú)序排列的聚合物。換句話說(shuō)，高度自我組織的聚合物顯著提高了電荷分離效率。

“我們使用的這種聚合物屬于已知的幾種，傾向于自我組織。這種傾向可以被抑制，但也可以強(qiáng)化這種聚合物自我組織的內(nèi)在傾向，這只需選擇合適的加工參數(shù)，”赫爾曼解釋說(shuō)。通過(guò)巧妙優(yōu)化，加工這種聚合物聚噻吩（P3HT），研究人員成功地雙倍增加了自由載流子產(chǎn)量，從而顯著提高了實(shí)驗(yàn)太陽(yáng)能電池的效率。