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 太陽能是綠色環(huán)?？沙掷m(xù)清潔能源，太陽能光伏發(fā)電已成為新興產(chǎn)業(yè)。利用晶硅等無機(jī)半導(dǎo)體的傳統(tǒng)光伏發(fā)電造價(jià)昂貴，科學(xué)家便把目光轉(zhuǎn)向有機(jī)材料太陽能電池領(lǐng)域。如何實(shí)現(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)化效率，設(shè)計(jì)制備新的有機(jī)光電材料，需要弄清楚發(fā)電的微觀過程。近日，南京大學(xué)物理學(xué)院團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)最新成果，揭示了高效有機(jī)光伏材料光電轉(zhuǎn)換過程的新機(jī)制，在線發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會會志》上?！缎氯A日報(bào)》對此進(jìn)行了報(bào)道。

中國科學(xué)家領(lǐng)先有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域

什么是有機(jī)光伏材料？論文通訊作者、南京大學(xué)物理學(xué)院張春峰教授科普道，常見高效的有機(jī)光伏器件采用聚合物給體和小分子受體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，小分子受體材料又包括富勒烯衍生物受體材料和非富勒烯受體材料。

張春峰說，由這些有機(jī)光電材料組成的器件具有良好的延展性，類似塑料用來發(fā)電。"這種材料超薄、柔性，還可折疊，原則上可以貼在車窗表面，也可以像衣服一樣穿在身上，低成本、輕便還容易攜帶，如果提高這種塑料材料的發(fā)電效率，那以后大到太陽能建筑、太陽能汽車，小到可穿戴設(shè)備、我們的手機(jī)殼，都可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地輕松發(fā)電。"

"在過去，富勒烯衍生物受體材料因具有良好的電子傳輸性能受到學(xué)界熱切關(guān)注，但因其可見光吸收弱、調(diào)節(jié)能級較難等缺點(diǎn)，能量轉(zhuǎn)化率最高只達(dá)到11%-12%，繼續(xù)發(fā)展遭遇瓶頸。"張春峰告訴記者，近些年中國學(xué)者獨(dú)辟蹊徑，發(fā)展了多種非富勒烯受體，器件性能取得了很大突破。受益于非富勒烯受體的開發(fā)，單節(jié)器件的能量轉(zhuǎn)換效率已超過18%，效率甚至可以跟硅基薄膜技術(shù)相比擬，"可以說，在有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域，中國科學(xué)家處于比較領(lǐng)先的位置。"

非富勒烯受體材料大幅提高了有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，但至今為止，光電轉(zhuǎn)換的動力學(xué)原理還并不清晰。這種塑料材料太陽能電池內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換可謂倏忽一瞬，如何捕捉其內(nèi)部的變化過程？有機(jī)材料接受了光以后，又是如何發(fā)電的？

為了了解該過程，張春峰團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了極其精細(xì)的超快光譜工作，通過"慢動作"觀察到光子到電子的轉(zhuǎn)換過程。張春峰打了個(gè)比方說，實(shí)驗(yàn)使用了10飛秒的超快脈沖激光光譜學(xué)，相當(dāng)于一臺極快的"相機(jī)"，一秒鐘產(chǎn)生10的14次方的圖像，這樣可以將一些微小瞬時(shí)的變化信息完整記錄，動態(tài)監(jiān)測了光子轉(zhuǎn)化為電子的動力學(xué)行為。

"過去大家認(rèn)為界面態(tài)對光電轉(zhuǎn)換很重要，在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，非富勒烯體系中，空穴轉(zhuǎn)移過程中體態(tài)貢獻(xiàn)同等重要。"張春峰表示，實(shí)驗(yàn)明確了分子聚集態(tài)在光電轉(zhuǎn)換過程中的重要作用，調(diào)控疇內(nèi)和界面間激發(fā)態(tài)的能級排列和相互作用有望成為優(yōu)化有機(jī)光伏器件性能的新策略，這個(gè)過程的厘清，能幫助大家重新設(shè)計(jì)一些新的材料，從而進(jìn)一步提高有機(jī)材料的光電能量轉(zhuǎn)換效率。

拓展閱讀

張春峰，南京大學(xué)物理學(xué)院教授。2010年起開始在南京大學(xué)物理學(xué)院任職，2015年在美國科羅拉多大學(xué)JILA研究所訪學(xué)。

主持參加國家自然基金委，科技部重大研究計(jì)劃等多項(xiàng)研究課題，在Nature Energy，Nature Commun., J.Am.Chem.Soc., Angew.Chem., Phys.Rev.Lett. Adv. Mater. 等重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文120余篇，引用4000余次(H index = 34),曾擔(dān)任 Nature Chem., Nature Commun.,JACS, Angew.Chem.，Adv. Mater. 等期刊審稿人, 2009年入選教育部新世紀(jì)人才計(jì)劃，2016年獲得江蘇省杰出青年項(xiàng)目支持,2019年獲得國家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金支持。

課題組以超短脈沖為基礎(chǔ)，發(fā)展泵浦探測，時(shí)間分辨熒光，二維相干光譜等超快光譜學(xué)方法，結(jié)合低溫、強(qiáng)磁、高壓等技術(shù)條件，研究半導(dǎo)體光電材料中的瞬態(tài)光物理響應(yīng)。目前工作集中在研究量子相干特性、自旋多重性以及界面能量電荷轉(zhuǎn)移等物理過程，尋求突破現(xiàn)有光電轉(zhuǎn)換效率, 信息存取速率限制的新機(jī)制開展以能源信息應(yīng)用為目標(biāo)的基礎(chǔ)研究。

部分素材來源于

新華日報(bào)、南京大學(xué)微納光學(xué)與超快光學(xué)實(shí)驗(yàn)室



原標(biāo)題：“超快相機(jī)”揭秘未知原理，南大團(tuán)隊(duì)在太陽能電池領(lǐng)域取得重大突破！