纽约大学研究团队开发新型有机太阳能电池

作为一种清洁电力能源，太阳能电池具有很大潜力，但到目前为止，因其不够廉价、轻便和灵活，尚未获得广泛使用。而现在，纽约大学坦登工程学院化学和生物分子工程系副教授 André D. Taylor领导的研究团队，找到一种创新方法对太阳能电池加以改进，有望扩大太阳能电池的应用范围。

大多数有机太阳能电池采用由碳组成的球型分子富勒烯这一材料，但Taylor教授表示，富勒烯不仅价格昂贵，而且吸光性能差。过去十年里，泰勒在改进有机太阳能电池方面取得重大进展，近期专注于研究非富勒烯材料的使用，不过目前尚未取得大幅突破。但Taylor教授说，“非富勒烯材料所取得的进展，足以让其和富勒烯一比高下。”

Taylor教授说，可以把太阳能电池想做是一个三明治。由电子供体和受体组成的“肉”层或活性层位于中间，作用是吸收太阳光并将其转化为电（电子和空穴）；外层的“面包片”由电极组成，负责传输电流。Taylor教授团队的目标是，利用不同材料让电池尽可能捕获更大光谱范围的阳光，并使这些不同材料有机协调。“我所领导的小组研究的是‘三明治’的关键部分，包括传输电子和空穴的‘面包’层，其他小组则专门研究‘肉’或其分夹层材料。我们现在面临的问题是：怎样协调这些不同的材料？让这些材料恰当配合在一起，难度是非常大的。”

然而，将方酸分子作为一种结晶剂的新方法可以解决这个问题。“我们添加了一种小分子，它本身就可以做为起电子供体，增强活性层的吸收，”Taylor教授说，“这种小分子可以促进供体和受体聚合物（即PBDB-T）与非富勒烯受体ITIC的定向排列。”

这一太阳能电池结构还使用了Taylor教授研究团队首创的基于FRET的太阳能电池设计机制。FRET，即荧光共振能量转移机制，是一种利用在自然光合作用中首次观察到的能量转移机制。通过使用一种新型聚合物，以及非富勒烯材料和方酸分子的混合物作为结晶体，团队创建了一个转换效率超过10％的电池。而在几年前，这对单结聚合物太阳能电池来说还是遥不可及的目标。“新的聚合物非富勒烯系统，可以将转化效率提到到13%以上，所以我们对这一系统的改进是显著的，”Taylor教授说。

Taylor教授的研究团队开发的有机太阳能电池具有很大的灵活性，将来可用于包括电动车、可穿戴式电子设备及手机充电背包等各种设备，将对电力供应方面做出巨大贡献。“我们希望这种结晶剂方法，能吸引化学家和有机电子材料科学家的注意，”Taylor教授曾经的研究生、发表于《今日材料》的该篇研究论文的第一作者Yifan Zheng说。

研究团队接下来的研究重点是什么？他们将继续改进非富勒烯材料有机太阳能电池，同时还在研究一种钙钛矿太阳能电池。

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A Highly Efficient Polymer Non-Fullerene Organic Solar Cell Enhanced by Introducing a Small Molecule as a Crystallizing-Agent（编者译：通过引入小分子作为增强结晶剂的高效聚合物非富勒烯有机太阳能电池）一文，发表在https://doi.org/10.1016/j.mattod.2017.10.003。除Taylor教授和Yifan Zheng，该研究论文共同作者还包括：中国电子科技大学Jiang Huang和Junsheng Yu，西北大学Gang Wang，纽约大学博士后研究员Jaemin Kong，以及耶鲁大学Di Huang、Megan Mohadjer Beromi和Nilay Hazari。该研究获得中国国家自然科学基金、四川省科技项目、美国国家科学基金及耶鲁大学纳米科学和量子工程研究所的支持。

文章最初发表于纽约大学坦登工程学院网站。