有机光伏电池的缺点

目前有机太阳电池的转换效率较低且寿命短，尚未进入使用阶段，存在着载流子迁移率低、结构无序、高的体电阻以及电池的耐久性差等问题，造成有机太阳能电池性能低下的原因主要有：

（1）由于有机材料分子间相互作用力很弱，大都为无定型，即使有结晶度，也是无定型与结晶形态的混合，光照射后生成的光生载流子主要在分子内的共轭价键上运动，电荷的传输是通过载流子在相邻的分子态之间进行跳跃实现的，导致了有机材料的载流子迁移率一般都很低，与无机材料相比要低若干个量级，这对有机半导体器件的效率有较大影响；

（2）有机半导体材料吸收太阳光波段不宽，绝大部分材料最大吸收波段在350nm～650nm，而地球表面可吸收的太阳光的能量主要分布在600nm～800nm，因此吸收光谱与太阳光光谱不匹配，导致光电转换效率低；如果通过增加激活层的厚度来提高光的吸收，但同时也会使器件的串联电阻增大激子和载流子的迁移距离增加，短路电流减小，从而导致光电转换效率较低；

（3）有机半导体在吸收太阳光后会产生束缚的空穴-电子对——“激子”，激子的分离与迁移并非全部有效，首先其扩散距离短，通常仅约为10nm，其次激子分离后产生的电子和空穴在一般有机材料中的传输速率不高，传输的过程中往往会受到电子和空穴复合的影响，并且电子和空穴传输到电极表面进入电极时通常要克服一个势垒，这样激子在半导体薄膜的迁移过程中就不可避免的存在着激子复合的损失，一般仅离边界或结点最近的激子才会产生光伏电流，使得有机太阳能电池实际转化效率低下；

（4）有机半导体材料在有氧和水存在的条件下往往是不稳定的。

“激子”这个概念还是用在有机半导体中的比较多，无机半导体一般称为“载流子”。激子的波尔半径简言之就是激子在半导体中一个能自由运动的区域的半径。平均自由程是指激子在运动时的一个空间尺度。形象的说，比如在某半导体里激子的自由程是1nm，那这个激子在做无序运动时“跳一下”平均能跳出1nm远。但是如果你的半导体的尺寸比激子的波尔半径还小，激子的活动空间本来就没那么大，跳一下就跳不出1nm了。这称之为“量子限域效应”。在这个很小的尺度内，激子密度很大，很拥挤。能带也随之发生变化。这种现象一般见于非常小尺度的半导体中，如半导体量子点、量子阱等等中。

在对一种叫做“激子”的微小而短暂的物体的本质进行了近一个世纪的 探索 之后，研究人员终于成功地对其结构进行了成像，揭示了电子的真实位置。这些发现最终可能会“帮助物理学家创造新的物质状态或新的量子技术。

“激子”出现在半导体和绝缘体等其他材料中。当半导体吸收光子或光粒子时，它会导致电子跃迁到更高的能级，在其位置上留下带正电的空穴。电子和空穴相互环绕，形成一个“激子” —— 本质上是电子和空穴的整个区域。因为，电子带负电荷而空穴带正电荷，所以激子本身是中性的。但激子是短暂的，因为电子几乎总是突然回到它们的洞中。当电子落回内部时，它们会发射出一个光子。

主持这项研究的科学家告诉我们：“大约在90年前，科学家们首次发现了激子。但直到最近，人们通常只能看到激子的光学特征。例如，当激子熄灭时发出的光。它们性质的其他方面，比如它们的动量，以及电子和空穴如何相互绕转，就只能从理论上描述了。”

因为电子同时扮演粒子和波的角色，它们的位置和动量不能同时被确定。一个激子的“概率云”（它所构成的影响范围）是电子可能位于空穴周围的最佳指示器。

研究人员试图绘制激子的波函数，这将能直接定义结构的形状和大小。他们描述了一种探测激子动量的方法。在今天发表在《科学进展》(Science Advances）杂志上的最新研究中，该团队用激光照射半导体，催化光子的吸收。这个半导体非常薄，是一种只有几个原子厚的二维物质薄片。

当激子形成后，研究小组用高能光子将它们分解，将电子轰走。 他们用电子显微镜绘制电子出口的地图。

上图：激子的平方波函数。

这是研究人员一直在努力解决的问题。去年12月，他们发表了一种直接观测电子动量的方法。该技术使用一种名为钨二硒化物的二维半导体材料，放置在一个温度为90开尔文（-183.15摄氏度，或-297.67华氏度）的真空室内。这个温度需要保持，以防止激子过热。

激光脉冲在这种材料中产生激子。然后，第二束超高能量激光将电子完全踢出，进入由电子显微镜监控的真空室。仪器测量电子的速度和轨迹，这些信息可以用来计算出粒子在被踢出激子时的初始轨道。

科学家表示：“这项技术与高能物理的对撞机实验有一些相似之处，在对撞机实验中，粒子以巨大的能量被撞在一起，使它们断裂。在这里，我们正在做一些类似的事情，我们使用极端紫外光光子来分离激子，并测量电子的轨迹来描绘里面的东西。”

通过测量电子离开半导体的方式，研究人员可以将激子的位置、形状和大小拼合在一起。本文顶部的图像，看起来有点像晴朗天空中的太阳，但它描绘的是激子的概率云。换句话说，就是电子最有可能绕着它留下的洞飞来飞去的空间。

主持这项研究的科学家解释道：“这项工作是该领域的一个重要进展。当粒子形成更大的复合粒子时，能够可视化粒子的内部轨道，可以让我们以前所未有的方式了解、测量和最终控制复合粒子。这可以让我们在这些概念的基础上创造新的物质量子态和技术。”

自1931年第一次预测激子以来，现在已经将近一个世纪了，人类已经更接近于描述亚原子结构是如何实际表现出来的。这次最新的研究使我们对这些量子力学有了更全面的理解，相信当激子达到百年诞辰时，肯定会有更多、更广阔的的研究发展起来。

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