研究人員已經確定了導致有機太陽能電池效率較低的關鍵機制，并展示了可以克服這一障礙的方法。

由劍橋大學領導的國際研究小組發現了有機太陽能電池中的一條損耗途徑，這使得它們在將陽光轉化為電能方面的效率低于硅基電池。此外，他們確定了一種通過操縱太陽能電池內部的分子來抑制這種途徑的方法，以防止電流通過不良狀態（稱為三線態激子）損失。

他們的研究結果發表在《自然》雜志上，表明有機太陽能電池有可能與硅基電池在效率方面進行更密切的競爭。

有機太陽能電池具有柔性、半透明和廉價的特點，可以極大地擴展太陽能技術的應用范圍。它們可以包裹在建筑物的外部，可用于有效回收室內照明所用的能源，而傳統的硅面板則無法實現這兩種方式。它們的生產也更加環保。

該論文的第一作者、劍橋卡文迪什實驗室的AlexanderGillett博士說，有機太陽能電池可以做很多無機太陽能電池不能做的事情，但近年來它們的商業發展停滯不前，部分原因是它們的效率低下。典型的硅基太陽能電池可以達到高達20%至25%的效率，而有機太陽能電池在實驗室條件下可以達到約19%的效率，而實際效率約為10%至12%。

有機太陽能電池通過松散地模仿植物光合作用的自然過程來發電，但它們最終使用太陽的能量來發電，而不是將二氧化碳和水轉化為葡萄糖。當光粒子或光子撞擊太陽能電池時，電子會被光激發并在材料的電子結構中留下一個“洞”。這種激發的電子和空穴的組合被稱為激子。如果可以克服激子中帶負電的電子和帶正電的空穴之間的相互吸引力，類似于磁鐵的正負極之間的吸引力，則可以將這些電子和空穴作為電流收集。

然而，太陽能電池中的電子可能會通過稱為復合的過程丟失，在這個過程中，電子失去能量——或激發態——并回到空的“空穴”狀態。由于碳基材料中電子和空穴之間的吸引力比硅強，因此有機太陽能電池更容易復合，進而影響其效率。這需要使用兩種成分來阻止電子和空穴快速復合：電子“供體”材料和電子“受體”材料。

使用光譜學和計算機建模的組合，研究人員能夠跟蹤有機太陽能電池的工作機制，從光子的吸收到重組。他們發現有機太陽能電池中的一個關鍵損失機制是由與特定類型激子（稱為三線態激子）的復合引起的。

在有機太陽能電池中，三重態激子存在一個難以克服的問題，因為它們在能量上有利于由電子和空穴形成。研究人員發現，通過設計電子供體和電子受體材料之間的強分子相互作用，可以使電子和空穴進一步分開，防止復合成三重態激子的發生。

計算模型表明，通過以這種方式調整有機太陽能電池的組件，這些三重激子態復合的時間尺度可以減少一個數量級，從而實現更高效的太陽能電池操作。

我們可以利用太陽能電池中組件之間的相互作用來關閉三重態激子損失路徑這一事實確實令人驚訝，吉列特說，我們的方法展示了如何操縱分子來阻止重組的發生。

現在，合成化學家可以設計具有強分子相互作用的下一代供體和受體材料來抑制這種損失途徑，來自加州大學圣巴巴拉分校的合著者Thuc-QuyenNguyen博士說，這項工作展示了實現更高設備效率的前進道路。

研究人員表示，他們的方法提供了一種明確的策略，通過阻止復合成三重激子態，實現效率達到20%或更高的有機太陽能電池不是夢。作為研究的一部分，作者還能夠為電子供體和電子受體材料提供設計規則以實現這一目標。他們相信，這些指導方針將使化學小組能夠設計出阻止復合成三重態激子的新材料，從而實現效率更接近硅的有機太陽能電池。