城大科学家发现崭新的光物理机制 创出有机太阳能电池效率新纪录
“有机光伏”（Organic photovoltaics, OPV）是既经济又具发展潜力的新一代太阳能电池技术，适用于可大规模生产的环保清洁能源和可穿戴电子设备。然而，有机光伏电池中的“光生电荷载流子”（photogenerated charge carriers）经常会重新结合，导致能量转换损失，令光电能量转换效率难以进一步提升。最近，香港城市大学（城大）的科研人员便克服了这重大难题，发明了一种新颖的器件工程策略，成功减低能量转换的流失，实现了破纪录的光电能量转换效率。
这款新型有机光伏电池现已能达到19%的光电能量转换效率，超出了旧有效率；香港城大团队相信很快便能突破20%。这次研发成果将可为有机光伏电池的商品化发展，带来更亮丽的前景。
有机光伏是基于有机半导体的太阳能电池技术，由于它的光敏原材料只带极低的毒性，而且可以透过分子设计，变化出多种不同材料，故被公认为是极有发展潜力的清洁能源新科技。目前，高性能的有机光伏电池大多采用“本体异质结”（bulk-heterojunction, BHJ）结构，意思是指其电子给体和受体材料混合在整个器件的活性层之中（见图1）。
当有机光伏电池把太阳光转化为电能时，太阳光的能量会产生激子（即一个带有负电荷的电子和一个带有正电荷的空穴，两者正负相互吸引束缚），然后激子在纳米级别的“给体-受体”界面上，克服彼此间的束缚，并分解成独立的电子和空穴，成为可以自由运动的电荷载流子（光电流），从而产生电能。
然而，如果这些电荷载流子没有被正负电极所收集，而是在给体-受体界面上再次相遇，它们会因为彼此间的正负电荷相互吸引，因而可能重新结合并形成低能量的“三线态激子”（T1）。三线态激子形成后，会弛豫回落到基态，并以热的形式释放能量，从而令光电流减少。这个不可逆转的过程严重限制了有机光伏电池所能达到的最高能量转换效率。
由城大李兆基讲座教授（材料科学）兼香港清洁能源研究所所长任广禹教授领导的科研团队，近日终克服了这个难题。他们发明了一种崭新的器件工程策略以抑制三线态激子的形成，把因为电荷载流子重新结合而造成的能量损失减至最低，成功创下了有机光伏电池光电转换效率的新纪录。
任教授说：“我们的团队首创在不改变光敏材料自身特性的前提下，透过器件工程成功调节三线态激子的形成，并揭露其根本的光物理机制。基于我们的策略，我们已先后用14种其他材料进行系统性测试，显示出这次研究成果的普遍适用性。”有关研究结果最近已于科学期刊《Nature Energy》发表，题为〈Suppressed Recombination Loss in Organic Photovoltaics Adopting a Planar-mixed Heterojunction Architecture〉。
科研团队取得突破，关键是引入了崭新概念，降低给体和受体材料两者间的混合程度，制造出“平面混合异质结”（planar-mixed heterojunction, PMHJ）结构，取代了传统有机太阳能电池使用材料高度混合的“本体异质结”（BHJ）结构。这减少了有机太阳能电池活性层内的给体-受体界面，从而抑制电荷载流子的重新结合，遂降低了电池的能量转换损失。这一发现大幅提高了有机太阳能电池的光电流，令太阳能电池的能量转换效率提升至19%以上。
任教授说：“与传统的本体异质结（BHJ）结构相比，我们使用的平面混合异质结（PMHJ）策略，能够抑制在给体-受体界面上发生的能量损失。”他进一步解释，“我们发现，由于平面混合异质结与给体-受体的接触较少，反而可以使（电荷载流子）重新结合的机会减到最低，令T1浓度降低。这从根本上改变了科研界对有机光伏的固有印象，因大家一直以为给体-受体的接触愈多，有机光伏的性能便愈高。”
参与这项研究的香港城大化学系博士后Francis Lin博士补充说：“我们的策略在太阳能电池的光电压-光电流之间取得了平衡，尽可能提升有机太阳能电池的光电转换效率，使它能够媲美无机太阳能电池。”他解释，有机光伏太阳能电池与无机光伏电池相比，有几个更大的优势，包括重量较轻，兼且可以像塑料薄膜般柔韧而具弹性，并能够使用卷对卷印刷方式生产制造，令成本效益更高。
团队相信这次的研究成果为有机太阳能电池未来的研究提供了全面的基础，能够全面提升新一代有机太阳能电池的效能，并将刺激对多功能有机半导体中基础光物理性质的新一轮研究。
团队正为相关的研究成果申请专利。任教授说：“我们希望借着由器件工程调控光物理性质的研发，进一步提升有机太阳能电池的性能，这研发成果重新定义了有机光伏的最大潜力，有助于促进其商品化。”
城大任教授及Francis Lin博士，以及南京大学张春峰教授为论文的通讯作者。第一作者则包括城大化学系博士生蒋奎先生，他于任教授领导的研究小组担任研究助理时，完成了上述研究。
这项研究获得不同的资金支持，包括城大“李兆基讲座教授席（材料科学）”、香港创新科技署、香港研究资助局、广东省基础与应用基础研究重大项目，以及粤港澳光电磁功能材料联合实验室。
本文于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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