非富勒烯受体（non-fullerene acceptors，NFAs）材料可说是有机太阳能光电转换效率突飞猛进的功臣之一，它让有机太阳能电池有望与硅晶太阳能电池一较高下，而近期英国伦敦帝国学院团队更是成功破解 NFAs 材料运作机制，并进一步了解如何改进材料，拼可加速有机太阳能电池发展。
有机太阳能不仅能透过低价材料与简易印刷技术制造，该电池还可以制造成半透明、柔软、可挠式样式，未来更有机会整合到建筑物和车辆、甚至是衣服与织品中，有机太阳能电池最高理论效率更高达 30%，可说是备受看好的太阳能技术之一。
但有机太阳能有一大挑战，其光电转换效率与稳定性都不高。该太阳能电池在吸收光子之后会产生电子电洞对（Electron-Hole Pair），而为了产生电流，得透过“电荷分离”来分开带正电的电子与带负电的电洞粒子，并让这些粒子抵达电极来发电。
在过去 30 年的研究中，大多数有机太阳能电池 30% 能量会在电荷分离中遗失，直到近年来科学界找到新型有机材料 NFAs，该材料可减少近 50% 电荷分离造成的能量损失，并让有机太阳能电池转换效率突破至 14% 左右。
但该材料为什么会有如此效果一直都是个谜，因此为破解物理界长久的疑惑，伦敦帝国学院与世界 6 个团队携手合作，开发并研究大量高效 NFA 有机太阳能电池，试图找出电池成功运作背后的原因。
该团队利用超快速激光技术（ultrafast laser techniques）观察材料运作机制，并发现在这些设备中，那些不能发电、被束缚在一起的电子与电洞不会消失，甚至可还原成初始激发态（excited state），这些激发态的能量更能与光子相对应，这样一来不仅可减少能量损失，还可以提升光电转换效率。
处于激发态的原子或分子并不稳定，寿命通常很短，但它可以再吸收光，进而跃迁到更高能阶的激发态，也能透过发射光或其他方式释放出过剩能量。
目前该团队也借由新理论订定一套设计规则，未来或许有望打造出更高效的有机太阳能电池。现在伦敦帝国学院也与各国研究团队携手制作约 12 种不同的有机太阳能材料，并已成功证明这些规则确实有效。
伦敦帝国学院化学系研究员 Tom Hopper 表示，以往有机太阳能电池材料开发主要是透过尝试错误法（trial and error），而团队希望这些规则可帮助那些致力于开发高效有机太阳能电池的科学家。
有机太阳能电池虽然制造简单、材料成本也低，但是其研究可说是一点也不简单，而现在了解到有机材料 NFAs 如何运作，也有设计规则可依据，这些或许都有助于研究人员打造出更高效的有机太阳能电池，让该技术朝商业化迈进。
- Printable solar cells a step closer with new design principles
- Design rules for minimizing voltage losses in high-efficiency organic solar cells
（本文由 EnergyTrend 授权转载；首图为团队利用超快速激光扫描材料，来源：伦敦帝国学院）
