太阳能是绿色环保可持续清洁能源，太阳能光伏发电已成为新兴产业。利用晶硅等无机半导体的传统光伏发电造价昂贵，科学家便把目光转向有机材料太阳能电池领域。
如何实现更高的光电转化效率，设计制备新的有机光电材料，需要弄清楚发电的微观过程。近日，南京大学物理学院团队的一项最新成果，揭示了高效有机光伏材料光电转换过程的新机制，在线发表在《美国化学学会会志》上。
中国科学家领先有机太阳能电池发展
什么是有机光伏材料？论文通讯作者、南京大学物理学院张春峰教授科普道，常见高效的有机光伏器件采用聚合物给体和小分子受体异质结结构，小分子受体材料又包括富勒烯衍生物受体材料和非富勒烯受体材料。
张春峰说，由这些有机光电材料组成的器件具有良好的延展性，类似塑料用来发电。“这种材料超薄、柔性，还可折叠，原则上可以贴在车窗表面，也可以像衣服一样穿在身上，低成本、轻便还容易携带，如果提高这种塑料材料的发电效率，那以后大到太阳能建筑、太阳能汽车，小到可穿戴设备、我们的手机壳，都可以实现随时随地轻松发电。”
“在过去，富勒烯衍生物受体材料因具有良好的电子传输性能受到学界热切关注，但因其可见光吸收弱、调节能级较难等缺点，能量转化率最高只达到11%-12%，继续发展遭遇瓶颈。”张春峰告诉记者，近些年中国学者独辟蹊径，发展了多种非富勒烯受体，器件性能取得了很大突破。受益于非富勒烯受体的开发，单节器件的能量转换效率已超过18%，效率甚至可以跟硅基薄膜技术相比拟，“可以说，在有机太阳能电池领域，中国科学家处于比较领先的位置。”
“电光石火”一瞬，发现新的转换通道
非富勒烯受体材料大幅提高了有机太阳能电池的光电转换效率，但至今为止，光电转换的动力学原理还并不清晰。这种塑料材料太阳能电池内的光电转换可谓倏忽一瞬，如何捕捉其内部的变化过程？有机材料接受了光以后，又是如何发电的？
为了了解该过程，张春峰团队进行了极其精细的超快光谱工作，通过“慢动作”观察到光子到电子的转换过程。张春峰打了个比方说，实验使用了10飞秒的超快脉冲激光光谱学，相当于一台极快的“相机”，一秒钟产生10的14次方的图像，这样可以将一些微小瞬时的变化信息完整记录，动态监测了光子转化为电子的动力学行为。
“过去大家认为界面态对光电转换很重要，在实验中我们发现，非富勒烯体系中，空穴转移过程中体态贡献同等重要。”张春峰表示，实验明确了分子聚集态在光电转换过程中的重要作用，调控畴内和界面间激发态的能级排列和相互作用有望成为优化有机光伏器件性能的新策略，这个过程的厘清，能帮助大家重新设计一些新的材料，从而进一步提高有机材料的光电能量转换效率。
