太陽能是綠色環保可持續清潔能源，太陽能光伏發電已成為新興產業。利用晶矽等無機半導體的傳統光伏發電造價昂貴，科學家便把目光轉向有機材料太陽能電池領域。如何實現更高的光電轉化效率，設計製備新的有機光電材料，需要弄清楚發電的微觀過程。近日，南京大學物理學院團隊的一項最新成果，揭示了高效有機光伏材料光電轉換過程的新機制，在線發表在《美國化學學會會志》上。《新華日報》對此進行了報導。
中國科學家領先有機太陽能電池領域
什麼是有機光伏材料？論文通訊作者、南京大學物理學院張春峰教授科普道，常見高效的有機光伏器件採用聚合物給體和小分子受體異質結結構，小分子受體材料又包括富勒烯衍生物受體材料和非富勒烯受體材料。
張春峰說，由這些有機光電材料組成的器件具有良好的延展性，類似塑料用來發電。"這種材料超薄、柔性，還可摺疊，原則上可以貼在車窗表面，也可以像衣服一樣穿在身上，低成本、輕便還容易攜帶，如果提高這種塑料材料的發電效率，那以後大到太陽能建築、太陽能汽車，小到可穿戴設備、我們的手機殼，都可以實現隨時隨地輕鬆發電。"
"在過去，富勒烯衍生物受體材料因具有良好的電子傳輸性能受到學界熱切關注，但因其可見光吸收弱、調節能級較難等缺點，能量轉化率最高只達到11%-12%，繼續發展遭遇瓶頸。"張春峰告訴記者，近些年中國學者獨闢蹊徑，發展了多種非富勒烯受體，器件性能取得了很大突破。受益於非富勒烯受體的開發，單節器件的能量轉換效率已超過18%，效率甚至可以跟矽基薄膜技術相比擬，"可以說，在有機太陽能電池領域，中國科學家處於比較領先的位置。"
非富勒烯受體材料大幅提高了有機太陽能電池的光電轉換效率，但至今為止，光電轉換的動力學原理還並不清晰。這種塑料材料太陽能電池內的光電轉換可謂倏忽一瞬，如何捕捉其內部的變化過程？有機材料接受了光以後，又是如何發電的？
為了了解該過程，張春峰團隊進行了極其精細的超快光譜工作，通過"慢動作"觀察到光子到電子的轉換過程。張春峰打了個比方說，實驗使用了10飛秒的超快脈衝雷射光譜學，相當於一臺極快的"相機"，一秒鐘產生10的14次方的圖像，這樣可以將一些微小瞬時的變化信息完整記錄，動態監測了光子轉化為電子的動力學行為。
"過去大家認為界面態對光電轉換很重要，在實驗中我們發現，非富勒烯體系中，空穴轉移過程中體態貢獻同等重要。"張春峰表示，實驗明確了分子聚集態在光電轉換過程中的重要作用，調控疇內和界面間激發態的能級排列和相互作用有望成為優化有機光伏器件性能的新策略，這個過程的釐清，能幫助大家重新設計一些新的材料，從而進一步提高有機材料的光電能量轉換效率。
拓展閱讀
張春峰，南京大學物理學院教授。2010年起開始在南京大學物理學院任職，2015年在美國科羅拉多大學JILA研究所訪學。
主持參加國家自然基金委，科技部重大研究計劃等多項研究課題，在Nature Energy，Nature Commun., J.Am.Chem.Soc., Angew.Chem., Phys.Rev.Lett. Adv. Mater. 等重要學術期刊發表論文120餘篇，引用4000餘次(H index = 34),曾擔任 Nature Chem., Nature Commun.,JACS, Angew.Chem.，Adv. Mater. 等期刊審稿人, 2009年入選教育部新世紀人才計劃，2016年獲得江蘇省傑出青年項目支持,2019年獲得國家自然科學基金委優秀青年基金支持。
課題組以超短脈衝為基礎，發展泵浦探測，時間分辨螢光，二維相干光譜等超快光譜學方法，結合低溫、強磁、高壓等技術條件，研究半導體光電材料中的瞬態光物理響應。目前工作集中在研究量子相干特性、自旋多重性以及界面能量電荷轉移等物理過程，尋求突破現有光電轉換效率, 信息存取速率限制的新機制開展以能源信息應用為目標的基礎研究。
部分素材來源於
新華日報、南京大學微納光學與超快光學實驗室
美編 | 胡志韌