激子需要空间来分离有机太阳能电池中的自由载流子产生

基于有机分子的太阳能电池提供了优于将光转化为电能的传统装置的潜在优势。这些有机太阳能电池价格低廉、耐用且易于制造。然而，有机电池尚不具备与传统设备相匹配的性能。科学家们提高性能的努力受到了他们对光激发(或“光激发”)电子如何成为“自由载流子”的有限理解的限制。

原则上，自由载流子流过材料并以电流的形式出现。先前的科学研究表明，光激发导致由电子和空穴组成的紧密结合对。这些研究没有描述如何克服强结合力以形成自由载体。这项新研究表明，相邻分子上的更多位点可以接受电子，从而解释了自由载流子是如何直接形成的。

这项研究发表在MaterialsHorizo​​ns上，开发了一种称为分布范围电子转移(DRET)的新模型。以前在有机太阳能电池中产生自由载流子的模型通常会引用新的物理现象来解释实验结果。特别是，他们说自由载流子可以在传统上难以分离和使用相反电荷的材料中以接近100%的效率形成。

在这项新研究中，科学家们使用成熟的概念提出了一种更简单的替代方案。他们依赖于一个简单的分子中电子转移过程模型，称为马库斯理论，鲁迪马库斯在1992年因该模型获得诺贝尔奖。新的DRET模型可以解锁高效有机太阳能电池的新途径。

新模型由国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员开发，使用已建立的概念(包括Marcus电子转移理论)解释了有机太阳能电池中自由载流子的产生，并考虑了与电荷转移界面相关的熵和远距离转移事件的可能性。该模型表明，溶液相电子转移过程的现有设计规则可以应用于有机光伏系统。

首先，这些规则包括使用众所周知的吉布斯能量项计算驱动力。二是确定重组能的作用。第三，确定了控制电子耦合距离依赖性的因素。

该模型拟合使用时间分辨微波电导率实验收集的实验数据，以绘制出自由载流子生成效率的正常、最佳和倒置状态。与有机光伏器件中长期观察到的行为的定性一致为理解溶液和固相系统中光致电子转移的产物提供了一个统一的平台。这种新模型的集成有效地捕捉了组成有机太阳能电池分层结构的组件的离散分子性质可以使研究人员开发用于更有效的电荷产生过程的材料。

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