图示为常温下由溶液法制备的质量轻、柔性、半透明的有机太阳能电池。（图片来源：TU Munchen）

如果混合比例合适，磁性纳米颗粒可以

提升高分子制造的太阳能电池的性能。这是来自DESY的同步加速器放射源PETRA III 的X射线研究结果。根据慕尼黑理工大学的Peter Müller-Buschbaum 教授所领导的科研团队的发现，按照重量比添加1%这种纳米颗粒，可有效提高太阳能电池的效率。他们在发布的最新一期《Advanced Energy Materials》杂志中发表了他们的研究。

高分子或称有机太阳能电池具有巨大的发展潜能：这些材料低成本、柔性并且有诸多用途。与已经发展成熟的硅基太阳能电池相比，有机太阳能电池的缺点在于他们的光电转化效率低。例如，他们只能将百分之几的入射光转化成电能。尽管如此，有机太阳能电池依然在很多方面显示出他们经济的优点，科学家们正在寻求新方法来提高他们的效率。

一个很有希望实现的方法就是添加纳米颗粒。例如，已经有证据显示，金纳米颗粒可吸收额外的太阳光，当能量被金纳米颗粒再次释放的时候，可产生额外的电荷载流子。

然而，Müller-Buschbaum的团队已经开始寻找另外一种不同的方法。“光在太阳能电池中创造电荷载流子对，由带正电荷的电子和带负电的空穴组成。”这项研究的主要作者Daniel Moseguí González解释道，他同样也来自Müller-Buschbaum的团队。“制造有机太阳能电池的工艺就在于，在电子和空穴重新结合之前分离他们。如果他们结合了，产生的电荷就会损失。我们正在寻找方法来延长电子-空穴对的寿命，这可以使得我们分离更多电子-空穴对，并引导他们向相反的电极。”

这个策略应用了量子力学原理，原理阐述了电子有一种内旋作用。根据量子力学的法则，这种旋转的数值为1/2。带正电的空穴也有这种数值为1/2的旋转。两个旋转如果同方向便可以叠加，如果反向则会相互抵消。因此，电子-空穴对的总旋转为0或者1。配对为1的旋转存在的时间比总旋转为0的配对存在的时间更长。

研究者们希望寻找一种材料可以转换旋转0的状态为旋转1的状态。这需要重元素的纳米颗粒，他们可以翻转电子或者空穴的旋转，由此颗粒可以排列成同一个方向。Fe₃O₄就可以做到这点。“在我们的实验中，添加磁性纳米颗粒到基体上可以提高太阳能电池的效率至11%，” Moseguí González道。电子-空穴对的寿命显著的获得了延长。

对于制造有机太阳能电池的各种方法来说，添加纳米颗粒是可以被轻松实现的常规程序。然而，重要的是不要添加过多纳米颗粒到太阳能电池当中，因为有机太阳能电池的内部结构被精细优化，尤其是光采集和活性材料间的距离，只有这样电荷载流子对才能尽可能有效地被分离。这些结构的尺度在10到100纳米之间。

“X射线调查显示，如果混合大量纳米颗粒进入制造太阳能电池的材料中，会改变其结构。”这篇研究的共同作者Stephan Roth解释道，他是DESY的激光P03的负责人。“我们观察的太阳能电池可以忍受磁性纳米颗粒的掺杂，含量高达1%，而不改变他们的结构。”

科学家们在对基体进行掺杂时，观测到的最大效应是掺杂重量比0.6%的纳米颗粒。这导致被测的有机太阳能电池效率增加3.05%到3.37%。“11%的效率增加对于材料应用的经济性至关重要，” Müller-Buschbaum强调到。

研究者们相信，通过掺杂纳米颗粒来提高其他有机太阳能电池的效率也是可能的。“高性能的高分子与纳米颗粒的结合使得未来进一步提高有机太阳能电池的效率成为可能。然而，在没有详细检测的情况下，例如使用X射线，获得对所涉及过程的全面理解还是不现实的。” Müller-Buschbaum最后总结道。

新材料在编译整理——翻译：Gary