城大科學家發現嶄新的光物理機制 創出有機太陽能電池效率新紀錄

「有機光伏」（Organic photovoltaics, OPV）是既經濟又具發展潛力的新一代太陽能電池技術，適用於可大規模生產的環保清潔能源和可穿戴電子設備。然而，有機光伏電池中的「光生電荷載流子」（photogenerated charge carriers）經常會重新結合，導致能量轉換流失，令光電能量轉換效率難以進一步提升。最近，香港城市大學（城大）的科研人員便克服了這重大難題，發明了一種新穎的器件工程策略，成功減低能量轉換的流失，實現了破紀錄的光電能量轉換效率。

這款新型有機光伏電池現已能達到19%的光電能量轉換效率，超出了舊有效率；城大團隊相信很快便能突破20%。這次研發成果將可為有機光伏電池的商品化發展，帶來更亮麗的前景。

有機光伏是基於有機半導體的太陽能電池技術，由於它的光敏原材料只帶極低的毒性，而且可以透過分子設計，變化出多種不同材料，故被公認為是極有發展潛力的清潔能源新科技。目前，高性能的有機光伏電池大多採用「本體異質結」（bulk-heterojunction, BHJ）結構，意思是指其電子給體和受體材料混合在整個器件的活性層之中（見圖1）。

當有機光伏電池把太陽光轉化為電能時，太陽光的能量會產生激子（即一個帶有負電荷的電子和一個帶有正電荷的空穴，兩者正負相互吸引束縛），然後激子在納米級別的「給體-受體」界面上，克服彼此間的束縛，並分解成獨立的電子和空穴，成為可以自由運動的電荷載流子（光電流），從而產生電能。

然而，如果這些電荷載流子沒有被正負電極所收集，而是在給體-受體界面上再次相遇，它們會因為彼此間的正負電荷相互吸引，因而可能重新結合並形成低能量的「三綫態激子」（T₁）。三綫態激子形成後，會弛豫回落到基態，並以熱的形式釋放能量，從而令光電流減少。這個不可逆轉的過程嚴重限制了有機光伏電池所能達到的最高能量轉換效率。

由城大李兆基講座教授（材料科學）兼香港清潔能源研究所所長任廣禹教授領導的科研團隊，近日終克服了這個難題。他們發明了一種嶄新的器件工程策略以抑制三綫態激子的形成，把因為電荷載流子重新結合而造成的能量流失減至最低，成功創下了有機光伏電池光電轉換效率的新紀錄。

任教授說：「我們的團隊首創在不改變光敏材料自身特性的前提下，透過器件工程成功調節三綫態激子的形成，並揭露其根本的光物理機制。基於我們的策略，我們已先後用14種其他材料進行系統性測試，顯示出這次研究成果的普遍適用性。」有關研究結果最近已於科學期刊《Nature Energy》發表，題為〈Suppressed Recombination Loss in Organic Photovoltaics Adopting a Planar-mixed Heterojunction Architecture〉。

科研團隊取得突破，關鍵是引入了嶄新概念，降低給體和受體材料兩者間的混合程度，製造出「平面混合異質結」（planar-mixed heterojunction, PMHJ）結構，取代了傳統有機太陽能電池使用材料高度混合的「本體異質結」（BHJ）結構。這減少了有機太陽能電池活性層內的給體-受體界面，從而抑制電荷載流子的重新結合，遂降低了電池的能量轉換流失。這一發現大幅提高了有機太陽能電池的光電流，令太陽能電池的能量轉換效率提升至19%以上。

任教授說︰「與傳統的本體異質結（BHJ）結構相比，我們使用的平面混合異質結（PMHJ）策略，能夠抑制在給體-受體界面上發生的能量損失。」他進一步解釋：「我們發現，由於平面混合異質結與給體-受體的接觸較少，反而可以使（電荷載流子）重新結合的機會減到最低，令T₁濃度降低。這從根本上改變了科研界對有機光伏的固有印象，因大家一直以為給體-受體的接觸愈多，有機光伏的性能便愈高。」

參與這項研究的城大化學系博士後Francis Lin博士補充說：「我們的策略在太陽能電池的光電壓-光電流之間取得了平衡，盡可能提升有機太陽能電池的光電轉換效率，使它能夠媲美無機太陽能電池。」他解釋，有機光伏太陽能電池與無機光伏電池相比，有幾個更大的優勢，包括重量較輕，兼且可以像塑料薄膜般柔韌而具彈性，並能夠使用卷對卷印刷方式生產，令成本效益更高。

團隊相信這次的研究成果為有機太陽能電池未來的研究提供了全面的基礎，能夠全面提升新一代有機太陽能電池的效能，並將刺激對多功能有機半導體中基礎光物理性質的新一輪研究。

團隊正為相關的研究成果申請專利。任教授說：「我們希望藉著器件工程調控光物理性質的研發，進一步提升有機太陽能電池的性能；這研發成果重新定義了有機光伏的最大潛力，有助於促進其商品化。」

城大任教授及Francis Lin博士，以及南京大學張春峰教授為論文的通訊作者。第一作者則包括城大化學系博士生蔣奎先生，他於任教授領導的研究小組擔任研究助理時，完成了上述研究。

這項研究獲得不同的資金支持，包括城大「李兆基講座教授席（材料科學）」、香港創新科技署、香港研究資助局、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目，以及粵港澳光電磁功能材料聯合實驗室。