米乐m6官方网站 (AIST) 纳米系统研究所纳米理论组 (所长：山口智彦) Kazuhiko Seki (组长)； 所长：Ryoji Chubachi) Akihiro Furube (高级研究员)，纳米尺度显微光谱分析小组，仪器前沿研究所 (所长：Yukihiko Yamauchi)产业技术研究院和产业技术研究院光伏技术研究中心先进低成本加工团队（所长：二木茂）的吉田雄二（组长）计算了作为新一代太阳能电池而受到关注的有机太阳能电池的光电转换效率的理论极限。

无机太阳能电池的光电转换效率的理论极限是已知的。通过修改无机太阳能电池的理论，考虑光吸收后产生电荷的机制的差异，计算出有机太阳能电池光电转换效率的理论极限。研究结果有望为提高有机太阳能电池的光电转换效率提供指导。结果很快就会在网络版应用物理快报，美国物理研究所的期刊。

电荷分离过程中有04 eV能量损失时太阳能电池光电转换效率的理论极限与太阳能电池能够吸收的最小光能（光吸收边）之间的关系 红线显示无机太阳能电池的理论极限，蓝线显示有机太阳能电池的新理论极限。

有机太阳能电池由于有机材料的特性而轻、薄、软。它们有望成为新一代太阳能电池，能够在以前难以安装太阳能电池的地方发电。尽管这些材料通常价格低廉，但提高光电转换效率和耐久性在技术上一直存在困难。然而，近年来，光电转换效率迅速提高，有报道称转换效率超过10%。效率与非晶硅太阳能电池一样高。光电转换效率的快速提高引起了人们对有机太阳能电池的转换效率可以提高多少的兴趣。 1961年，Shockley和Queisser证明，无机半导体太阳能电池的光电转换效率的理论极限约为30%。由于此类太阳能电池的实际效率现已接近该值，最近无机太阳能电池的研发工作集中在通过引入肖克利和奎塞尔理论中未考虑的多结太阳能电池和聚光太阳能电池等结构来提高效率。与此同时，有机太阳能电池的光电转换效率已迅速提高到现在需要计算效率极限的水平，正如肖克利和奎瑟对无机太阳能电池所做的那样。

来自各个领域的 AIST 研究人员，特别是来自光伏技术研究中心的研究人员，一直在进行跨学科研究和开发，以提高有机太阳能电池的效率和耐用性；这些研究人员来自环境与能源、计量与测量科学、纳米技术、材料与制造等领域。有机太阳能电池极限研究委员会由吉田负责人发起，由日本产业技术研究院各领域研究人员组成，针对有机太阳能电池光电转换效率的理论极限进行了研究。

太阳能电池的光电转换效率受到半导体带隙、热量耗散和电荷复合等因素的限制。能量小于带隙的光不会被吸收，也不会有助于发电。电流减小。所有这些因素都会降低太阳能电池的电力。考虑到这些因素，Shockley 和 Queisser 于 1961 年提出了无机太阳能电池光电转换效率的理论极限（J应用。 Physvol 32, p510 [1961])

光电转换效率的理论极限是基于无机半导体计算的，并且被认为对于有机太阳能电池是无效的。在有机物质中，正电荷和负电荷之间的库仑吸引力很强，吸收光后产生称为激子的束缚对。据估计，有机物质中激子的库仑结合能至少比室温下的热能大10倍。由于单一有机物质中激子的电荷分离不充分，因此有机太阳能电池包含两种类型的物质：易于形成正离子的有机物质和易于形成负离子的有机物质。在这些物质之间的界面处，激子的电荷被分离。目前的研究重点是有机太阳能电池中电荷分离所需的多余能量的存在。 Shockley和Queisser理论的方法表明，当考虑到多余的能量时，电荷复合率增加，从而导致电压和电流的变化。利用库仑相互作用，其中结合的正电荷和负电荷之间的距离为1 nm，有机物质介电常数的一般值为35，计算出电荷分离所需的多余能量为03至04 eV。由于存在其他相互作用，因此该值被认为是最小值。虽然是粗略估计，但与之前报告中给出的最小过剩能量值几乎相同。当使用04eV作为电荷分离所需的剩余能量来计算光电转换效率的理论极限时，获得了21%的最大值。通过理论计算，有机太阳能电池表现出最高效率的吸收光波长也确定为15 eV（波长827 nm），这为选择吸收光的有机分子（主要是供体）提供了指导。

图1：有机太阳能电池中电荷分离机制示意图 光通常被倾向于形成正离子的有机分子（供体）吸收。供体中的电子通过光吸收形成激子。随后，发生电荷分离。结果，供体变成正离子，受体变成负离子。在此过程中，电子失去电荷分离所需的多余能量（ΔEDA).

图2：当电荷分离所需的剩余能量为04 eV时，光电转换效率的理论极限与多结有机太阳能电池可吸收的光能最小值（光吸收端）之间的关系 假设光学边缘能量差为04 eV的两个太阳能电池串联连接。红线代表单结无机太阳能电池的常规理论极限，蓝线代表单结有机太阳能电池的理论极限，黑线代表多结有机太阳能电池的理论极限。

以04 eV作为电荷分离所需的过剩能量，理论上计算出单结有机太阳能电池光电转换效率的极限为21%。 21%的这一极限值高于目前10%至12%的效率，这表明未来通过材料结构的选择和优化，有望进一步提高。研究人员打算揭示理论极限与实际效率之间差异的因素，并扩大研发力度，找出并解决提高效率的问题。