聚合物分子的主要光致激發(fā)，會促進形成一種激發(fā)態(tài)，稱為激子（exciton）。這隨后會離解，釋放出一個電子，然后傳輸?shù)诫娮邮荏w，來源：慕尼黑大學

有機太陽能電池把陽光轉換成電能，有望形成一種經(jīng)濟和環(huán)保時尚。挑戰(zhàn)在于，它們的運行效率仍然低于無機半導體。超快測量混合電池，揭示了一條途徑，可以使其效率翻番。

使用有機太陽能電池，從陽光生產(chǎn)電力，這就提供了一個有吸引力也有前途的基礎，會帶來一種創(chuàng)新環(huán)保的方法，進行能源供應。它們的制造可以相當經(jīng)濟，而且因為它們是可彎曲的，就像塑料包裝一樣，因此，可以靈活處理。問題是，它們的效率仍然明顯低于傳統(tǒng)無機半導體電池。

最關鍵的工藝是，要把光轉換成電流就要生成自由載流子（charge carriers）。在第一步光伏轉化中，吸收光之后，有機太陽能電池的一種組份，通常是一種聚合物，會釋放電子，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，電子可以被進一步傳輸。

“電荷分離的機制和時間表一直是爭議話題，科學辯論已有多年，”慕尼黑大學（LMU）物理學教授埃伯哈德•里德爾（Eberhard Riedle）說。進行合作的研究者來自慕尼黑理工大學（Technical University in Munich）和拜羅伊特大學（Bayreuth University），里德爾和他的小組現(xiàn)已能夠詳細剖析這一過程。為了做到這一點，研究人員采用一種新型混合電池，這種電池包含有機和無機成分，其中的硅用作電子受體（electron acceptor）。根據(jù)這個系統(tǒng)獲得的洞察，他們開發(fā)出一種處理策略，以增強這種聚合物的結構排序，而且發(fā)現(xiàn)，這提高了電荷分離效率，在有機半導體中可提高兩倍。他們的研究結果提供了一種新的方法，可以優(yōu)化有機太陽能電池的性能。

這一突破的關鍵，在于一種獨特的、基于激光的實驗裝置，這種裝置結合極高的時間分辨率和高帶寬檢測，分辨率達40飛秒（fs）。這使研究小組可以跟蹤光子吸收誘發(fā)的超快過程，實時跟蹤它們的發(fā)生。典型有機電池中使用富勒烯，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。

“首先，用這些新型混合太陽能電池，我們可以探測聚合物中發(fā)生的光物理過程，精度更高，超過以往任何時候，其次，因為使用硅，更大范圍的太陽光譜可以被用來發(fā)電，”里德爾說。事實證明，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)，會促進形成一種激發(fā)態(tài)，稱為激子（exciton）。這隨后會離解，釋放出一個電子，然后傳輸?shù)诫娮邮荏w。

失去電子，會留下帶正電的“空穴”，在聚合物中，帶相反電荷的實體相互吸引，因為庫侖力（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，以克服庫侖力，”丹尼爾•赫爾曼（Daniel Herrmann）解釋說，他是這項新研究的第一作者。這一小組表明，這是第一次，實現(xiàn)這一點容易多了，這是因為采用的聚合物具有整齊、均勻的結構，而不是無序排列的聚合物。換句話說，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。通過巧妙優(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，從而顯著提高了實驗太陽能電池的效率。