对能量损失的新见解为新兴的太阳能技术打开了大门

有机太阳能电池是一项前景广阔的新兴技术。与无处不在的硅太阳能电池板不同，它们具有重量轻、灵活并呈现多种颜色的潜力，这使得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运作的基本过程，设备性能的持续进步一直很缓慢。

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，并扩展了该描述以提出设计最佳设备的建议。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日发表在Joule上。

“传统上，有机太阳能电池的能量损失有一种描述和定义的方式。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巴里兰德说。安德林格能源与环境中心。

兰德指出，传统的描述能量损失的方法并不能解释有机太阳能电池中存在的无序问题。一种类型的紊乱，动态紊乱，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固有结构及其在器件内排列的产物。

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性，得出的值约为0.6电子伏特，无论设备的材料如何。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，他们发现无序程度在决定有机太阳能电池的整体能量损失方面发挥着重要作用。

“随着太阳能电池无序度的增加，我们看到我们的非辐射能量损失成分——我们可以控制的成分——迅速增长，”兰德说。“非辐射能量损失随着无序分量的平方而增长。”

在证明增加无序会导致设备中的能量损失急剧增加后，研究人员能够对材料提出建议，以最大限度地减少无序，从而导致更高效的设备。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，因此他们可以在一定程度上控制给定设备的结构紊乱程度。

在设计有机太阳能电池时，研究人员可以专注于创建均质材料混合物，其中薄膜的部分全部为结晶或全部无定形，或者异质混合物，其中薄膜的某些部分为结晶而其他部分是无定形的。

通过他们的工作，兰德的团队证明，在构建有机太阳能电池时，均质混合物占主导地位。为了获得性能更好的有机太阳能电池，兰德表示，科学家们应该使用高度结晶或高度非晶态的材料，并避免在设备中混合使用这两种材料。

“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是轻微结晶而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。

这一发现打破了惯例，因为研究人员此前认为，太阳能电池混合物中一定程度的异质性有利于整体性能。但由于Rand的团队发现异质设备混合物具有高度的无序性并损失大量能量，他说他们的发现可以为研究人员提供新的焦点，因为他们正在寻找更高效的有机太阳能电池。

“异质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，这不是我们所看到的，”兰德说。他指出，当今许多性能最好的有机太阳能电池都是由高度非晶薄膜组成的，并建议利用现有技术，完全非晶混合物比完全结晶混合物更实用。

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，并最终为这项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未来的效率，”兰德说。

文章“量化能量紊乱对有机太阳能电池能量损失的影响”于11月18日在Joule上发表。

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