通过了解有机太阳能电池的功率损耗来获得更好的能量输出

光伏将在未来的能源供应中发挥关键作用。例如，基于硅(一种众所周知的半导体材料)的传统太阳能电池已经高度开发并广泛使用。然而，它们的生产很复杂，因为它需要高温下的高真空。用于生产的能源可能需要长达五年的时间才能被运营所抵消。

这就是基于有机半导体的太阳能电池可以发挥作用的地方，因为它们可以以节省能源和成本的方式进行印刷。然而，能量转换存在一些限制，需要更详细地研究。由开姆尼茨理工大学凝聚态光学和光子学教授领导的一个研究小组研究了哪些主要因素对有机太阳能电池的功率限制具有决定性意义。

该研究的主要作者是克里斯托弗·沃普克，他是开姆尼茨科技大学凝聚态光学和光子学教授的研究助理。拜罗伊特大学、伯尔尼大学(瑞士)、达勒姆大学(英国)、埃尔兰根-纽伦堡大学和先进光源伯克利实验室(美国)的科学家加入了他的研究。除其他外，该团队发现传输阻力尤其严重限制了有机太阳能电池的性能。

这些结果对于开发更高效的太阳能电池以实现高通量生产的重要性在能源转型的背景下尤为明显。由于与硅对应物不同，有机半导体已经可以在室温下使用印刷工艺制造，因此它们在生产过程中所需的能源显着减少，并且具有相当程度的光伏转换效率。此外，新型有机太阳能电池在实验室条件下的效率接近20%。这使他们越来越具有竞争力。

该研究结果已发表在《自然通讯》上。

运输阻力的关键重要性得到证明

太阳能电池中的有机半导体可以很好地捕捉太阳光，将太阳能高效地转化为电能，能量平衡非常好。然而，这些材料中电荷载流子的低迁移率仍然是一项主要的技术任务。这是因为电导率和效率取决于它。一个众所周知的挑战是，在复合发生之前，必须从有机太阳能电池中提取慢载流子。这是使用太阳能的唯一方法。

就在几年前，弗赖堡和波茨坦的科学家就有机太阳能电池描述的另一个挑战是最大功率点的光电压损失。这是由于缓慢移动的电荷载体。随着有机太阳能电池的老化，这种损失变得更加明显，这对效率有负面影响。理解这种损耗机制的重要性，即由于传输电阻引起的电压损耗，只有在Chemnitz研究人员现在发表的出版物中才真正变得清晰。

有机材料老化导致的更多缺陷

由称为非富勒烯受体的聚合物和分子的混合物组成的高效有机太阳能电池以不同的加速方式老化。参与的科学家使用互补的方法研究了这些光伏设备。

“对于高温下的热加速降解，我们能够证明吸收材料和界面的特性保持非常稳定，”CarstenDeibel教授说。吸收材料是光吸收层。该界面描述了两个半导体接触电极的所有区域。

Deibel说，一个例外是由于光敏层纳米结构的变化而导致的与老化相关的缺陷态形成，该团队能够观察到这一点。研究小组发现，传输阻力的相关增加是由于加速热降解而导致填充因子降低的主要原因。填充因子是用于确定太阳能电池性能的三个因素之一。由于老化导致的较低填充因子因此降低了能量转换的效率。

“我们需要广泛的补充方法来区分吸收层和电极界面的变化，以及重组和传输阻力。因此，所有团队的多学科专业知识都是无价的，”Wöpke强调说。

“我们研究的一个关键发现是，传输阻力是现代有机太阳能电池中一个主要的性能限制机制，需要解决，”Deibel教授补充道。“即使是新加工的光伏器件也会出现这种损失，即使是轻微抑制陷阱形成也可以克服。”

未来的研究将探索减少陷阱形成和提高有机太阳能电池电导率的方法。

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