目前，传统硅太阳能电池板虽已广泛应用于市场，但存在成本高、安装范围受限等问题。因此，研究人员将目光投向了“有机”半导体材料，这类材料具有储量丰富、价格低廉、环保等优点，在手机、电视和虚拟现实设备等消费电子产品的显示屏中已有应用，但其光电转换效率较低，约为12%，而相对应的单晶硅太阳能电池的效率为25%，因此其在商用太阳能电池板领域的应用一直受到制约。
为了解决这些难题，业界开发了一种用于收集太阳能的新型有机半导体——非富勒烯受体(NFA)，这种材料在提高太阳能电池光电转换效率方面表现优异，用NFA制成的有机太阳能电池效率可接近20%。
不过，尽管NFA有机半导体性能优异，但其背后的原理尚不明确。而在最近，堪萨斯大学的研究团队发现了一种微观机制，可部分解释性能出色的原因。
图为研究团队成员和测试仪器
有机半导体中的电子通常与带正电的“空穴”结合，这样，当光被吸收时形成电中性的准粒子，即“激子”。此次研究中，该团队采用时间分辨双光子光发射光谱法（TR-TPPE）技术测量发现，NFA中的光激发电子可以从环境中获得能量，而非向环境中损失能量，这一现象很违反直觉，因为激发电子通常会向环境中损失能量，就像是一杯热咖啡向周围环境散热一样。
研究人员认为，这种不寻常的能量增益过程源于电子的量子行为，即一个激发电子可以同时出现在多个分子上。根据热力学第二定律，任何物理过程都会导致总熵的增加(越来越无序)，这种量子行为与该定律相符，也就产生了这种反直觉的能量增益现象。
由于排列成特定纳米级结构的有机分子中，热流的典型方向是反向的，总熵值会增加，这种反向热流使中性激子从环境中获得热量，并分解成一对正电荷和负电荷，这些自由电荷反过来就可以产生电流。
研究人员表示：“了解潜在的电荷分离机制将使研究人员能够设计新的纳米结构，利用熵来引导纳米尺度上的热量或能量流动。”，这有助于进一步提高NFA有机太阳能电池的效率，并为设计更高效的光化学过程催化剂提供新的思路。
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