研究人員透過開發有機半導體提高了太陽能收集能力，這種有機半導體是矽的一種更便宜、適應性更強的替代品。最近的一項突破顯示，這些材料可以透過電子獲得能量的獨特機制實現更高的效率，為更有效的太陽能電池和燃料生產技術鋪平了道路。

太陽能在向清潔能源未來過渡的過程中發揮著至關重要的作用。通常，日常電子產品中常見的半導體矽被用來收集太陽能。然而，矽太陽能板有其限制–成本高昂，而且難以安裝在曲面上。新研究部分解釋了一類新型有機半導體–非富勒烯受體（NFAs）–的優異性能。

研究人員已經開發出用於太陽能收集的替代材料，以解決這些缺陷。其中最有前途的是被稱為”有機”半導體的碳基半導體，這種半導體在地球上資源豐富，成本較低，而且對環境友好。

堪薩斯大學物理和天文學副教授Wai-Lun Chan說：”它們有可能降低太陽能電池板的生產成本，因為這些材料可以使用基於溶液的方法塗覆在任意表面上–就像我們粉刷牆壁一樣。這些有機材料可以在選定的波長下吸收光線，可用於製造透明的太陽能電池板或不同顏色的電池板。

雖然有機半導體已被用於手機、電視和VR頭顯等消費性電子產品的顯示面板，但尚未廣泛用於商用太陽能板。有機太陽能電池的一個缺點是光電轉換效率較低，約12%，而單晶矽太陽能電池的轉換效率可達25%。

根據Chan 的說法，有機半導體中的電子通常會與被稱為”電洞”的正電子結合。這樣，有機半導體吸收的光通常會產生電中性的準粒子，即”激子”。

但是，最近一類被稱為非富勒烯受體（NFAs）的新型有機半導體的開發改變了這種模式。使用非富勒烯受體（NFAs）製造的有機太陽能電池的效率可接近20% 大關。

儘管性能出眾，但科學界仍不清楚這一類新型非氟烷烴為何明顯優於其他有機半導體。

在發表於《先進材料》（Advanced Materials）上的一項突破性研究中，陳和他的團隊，包括物理和天文學系的研究生庫沙爾-里賈爾（Kushal Rijal，第一作者）、內諾-富勒（Neno Fuller）和法蒂瑪-魯達尼（Fatimah Rudayni），與昆士蘭大學化學教授辛迪-貝裡（Cindy Berrie）合作，發現了一種微觀機制，部分解決了無損檢測器所取得的卓越性能。

主要作者Kushal Rijal（右）和Neno Fuller（左）使用圖中所示的超高真空光發射光譜系統進行了TR-TPPE 測量。圖片來源：Kushal 和Fuller

這項發現的關鍵在於領導作者里賈爾利用一種被稱為”時間分辨雙光子光發射光譜”（TR-TPPE）的實驗技術進行的測量。這種方法使研究小組能夠以亞皮秒級的時間分辨率（小於一兆分之一秒）追蹤激發電子的能量。

“在這些測量中，Kushal [Rijal]觀察到，NFA中的一些光激發電子可以從環境中獲得能量，而不是向環境中損失能量，」Chan說。 “這一觀察結果與直覺相反，因為激發電子通常會向環境中損失能量，就像一杯熱咖啡向周圍環境中損失熱量一樣。”

研究小組的工作得到了美國能源部基礎能源科學辦公室的支持，他們認為，這種不尋常的過程之所以能在微觀尺度上發生，是因為電子的量子行為允許一個激發電子同時出現在多個分子上。熱力學第二定律認為，每個物理過程都會導致總熵（通常稱為”無序”）的增加，這種量子怪異性與熱力學第二定律相結合，產生了不尋常的能量增益過程。

Rijal說：「在大多數情況下，熱物體會將熱量傳遞給周圍的冷物體，因為熱量傳遞會導致總熵增加。但我們發現，對於以特定奈米級結構排列的有機分子來說，典型的熱流方向是相反的，這樣總熵才會增加。

根據他們的實驗結果，研究小組提出，這種由熵驅動的電荷分離機制可使使用NFA 製造的有機太陽能電池獲得更高的效率。

Rijal說：『了解了電荷分離的基本機制，研究人員就能設計出新的奈米結構，利用熵的優勢在奈米尺度上引導熱量或能量流動。儘管熵是物理學和化學中一個眾所周知的概念，但很少有人積極利用它來提高能量轉換設備的性能。

不僅如此：科大團隊認為，這項工作中發現的機制不僅可以用來生產更有效率的太陽能電池，還可以幫助研究人員設計出更有效率的光催化劑，用於太陽能燃料生產，這是一種利用陽光將二氧化碳轉化為有機燃料的光化學過程。

編譯自/ ScitechDaily