国立先进产业技术综合研究所 [会长 中钵良二]（以下简称“AIST”） 纳米系统研究部 [研究部主任 山口智彦] 纳米理论小组 关和彦研究小组，计量前沿研究部 [研究部主任 山内幸彦] 纳米显微镜分光小组 古部晃宏 太阳能发电工程研究中心首席研究员 [研究中心主任 二木荣] 先进产业技术研究所工艺/成本削减团队吉田裕二研究组组长作为新一代太阳能电池之一而受到关注有机太阳能电池的光电转换效率的理论极限被发现了。
之前，无机太阳能电池被知道了。在此基础上，他们计算了有机太阳能电池光电转换效率的理论极限，同时考虑到无机太阳能电池和有机太阳能电池吸收光后发电机制的差异。该结果有望为有机太阳能电池光电转换效率提升多少的研发提供指导。这项研究结果发表在《美国应用物理学会杂志》上应用物理快报的在线版本中推出
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电荷分离
与太阳能电池能够吸收的光能最小值的关系（光吸收边缘能量）
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场所和应用中实现发电，因为有机太阳能电池具有有机材料特有的轻、薄、软的特点。尽管它通常是一种廉价的材料，但提高光电转换效率和耐用性是一个技术挑战。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%，与非晶硅太阳能电池相当。因此，人们越来越关注有机太阳能电池的转换效率可以提高多少。对于由硅等无机半导体制成的太阳能电池，肖克利和魁瑟表明大约30%是光电转换效率的理论极限，但近年来，实际效率已接近该值，并且最近无机太阳能电池的研究和开发多结太阳能电池、聚光太阳能电池等肖克利和魁瑟中未考虑的机制来提高效率。理论。另一方面，有机太阳能电池的光电转换效率也迅速提高，达到了需要指导可以提高到什么程度的水平。肖克利和魁瑟理论”那样的边际效率。
产业技术研究院以光伏工程研究中心为中心，与环境与能源、测量与计量标准、纳米技术、材料与制造等各个领域的研究人员合作，进行跨学科的研究与开发，旨在提高有机太阳能电池的效率和耐久性。这项关于有机太阳能电池光电转换效率理论极限的研究，是由研究组组长吉田设立、由产业技术研究院内各领域的研究人员组成的有机太阳能电池极限效率研究小组进行的。
太阳能电池的光电转换效率相当于半导体带隙、散热、电荷重组能量低于带隙的光不被吸收，无助于发电。能量高于带隙的光会变热并消散，导致电压下降。当光产生的电荷重新组合并在到达电极之前丢失时，电流就会减少。所有这些因素都会降低太阳能电池的功率，但考虑到这些因素，无机太阳能电池的光电转换效率存在理论上的限制。肖克利和魁瑟(J。应用。物理。第 32 卷，第 510 页 (1961))
另一方面，人们认为将无机半导体的理论应用于有机太阳能电池是不合适的。在有机材料中，正电荷和负电荷之间库仑相互作用强，因此光被吸收，正电荷和负电荷被牢固结合激子被生成。有机材料中激子的结合能至少基于库仑相互作用来估计热能的10倍以上由于单一类型的有机材料无法提供足够的激子电荷分离，因此有机太阳能电池由两种类型的有机材料组成：一种倾向于成为正离子，另一种倾向于成为负离子。在这些材料的界面处，激子电荷分离并产生电力。在这项研究中，我们重点关注电荷分离所需的剩余能量。肖克利和魁瑟的理论方法，我们表明，考虑电荷分离所需的额外能量会增加电荷复合的速率，从而导致电压和电流的变化。利用库仑相互作用，结合的负电荷和正电荷之间的距离为1 nm，介电常数为35，这对于有机分子来说是常见的，并且电荷分离所需的多余能量经计算为03至04 eV。由于存在其他相互作用，该值被认为是下限，但与迄今为止报道的剩余能源最低值大致相同。当使用04 eV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，当太阳能电池可以吸收的光能的最小值为15 eV（光波长为827 nm）时，最大值约为21%。有机太阳能电池表现出最高效率的光波长也已通过理论计算确定，为选择吸收光的有机分子（主要是供体）提供了指导。
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| 图1有机太阳能电池电荷分离机理示意图 |
| 在许多情况下，光被容易变成正离子的有机分子（供体）吸收。施主电子因吸收光的能量而成为激子，但当其移动到倾向于成为负离子的有机分子（受主）时，受主成为负离子，施主成为正离子，导致电荷分离。在此过程中，电子具有电荷分离所需的额外能量（ΔEDA) 丢失。 |
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| 图2 当多结有机太阳能电池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太阳能电池可吸收的光能最小值（光吸收边缘能量）之间的关系 |
| 假设光学吸收边缘能量差为04eV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效率。 |
假设电荷分离所需的剩余能量为04 eV，理论上计算的单结有机太阳能电池光电转换效率极限值为21%，远高于目前10%~12%的效率，表明未来通过材料选择和改进、结构优化，光电转换效率有望进一步提高。未来，我们计划从理论极限中阐明差异背后的因素，并进行研究和开发来发现和解决问题，以提高效率。