能源消耗在21世纪迅速增长，能源成本和可持续性问题的上升极大地影响了人类的生活质量。利用光伏技术直接从太阳光中获取能量来发电，被认为是以环境友好的方式发电的最有前途的机会之一。
在各种光伏技术中，聚合物(塑料)太阳能电池提供独特的吸引力和机会。这些太阳能电池包含地球丰富且对环境无害的材料，可以制成灵活轻便的，并且可以使用类似于报纸印刷方式的卷对卷技术制造。但挑战在于提高电池的功率转换效率。
现在，由西北大学Tobin J. Marks教授领导的教师和学生研究小组报告了新型聚合物半导体的设计和合成，并报告了填充因子为80%的聚合物太阳能电池的实现 - 这是第一次。这个数字接近于硅太阳能电池的数量。
“我们的研究结果表明，聚合物太阳能电池可实现的功率转换效率可能远远超出目前的水平，预示着该技术的光明前景，”Marks说。“由于我们的高填充因子，具有非常好但不具有光吸收能力的聚合物仍然能够实现非常好的效率。”
Marks是Weinberg艺术与科学学院的Vladimir N. Ipatieff化学研究教授，McCormick工程与应用科学学院的材料科学与工程教授。
该研究由Nature Photonics杂志于8月11日发表。
该团队表明，特殊的填充因子来自聚合物供体链和巴西球受体组分混合物中的高水平有序，这两种组分在细胞活性层内分布的方式，以及聚合物的“面朝上”取向电极表面上的链条。
所获得的填充因子比聚合物太阳能电池领域先前实现的填充因子高10%以上，并且在本研究中，尽管聚合物半导体具有非最佳的光吸收特性，但是具有接近记录的功率转换效率高达仍然获得8.7%。
聚合物太阳能电池的工作原理与传统硅太阳能电池的工作原理大不相同。聚合物太阳能电池的活性层通常包含可以提供电子的聚合物链和接受电子的“巴基球”分子的混合物。(Buckminsterfullerene，或巴基球，是一种球形富勒烯分子，其分子式为C60。)
在太阳辐射下，电子激发产生称为激子的移动电子 - 空穴对。然后激子通过电池的有源层扩散，在供体 - 受体界面处分离成自由电荷载流子(电子和空穴)，当它们到达电池电极时作为电流被收集。
尽管聚合物太阳能电池具有吸引力，但它们的大规模应用受到相对低的功率转换效率的限制，其被定义为由电池产生的功率与入射太阳光的功率的百分比。太阳能电池产生的功率是三个电池性能参数的产物：开路电压，短路电流和填充因子。现在正在开发各种策略来增加这些参数以最大化电池的功率转换效率。
虽然有可靠的方法来增加电池的开路电压和短路电流，但高填充因子的实现已被证明是难以实现的，大多数聚合物太阳能电池的填充因子通常远低于70%，而传统硅太阳能电池的填充因子通常低于70%。
在聚合物太阳能电池中，通过光生电子 - 空穴对在它们到达要作为电流收集的电池电极之前的复合(自湮灭)在很大程度上防止了实现高填充因子。在典型的聚合物太阳能电池中，随机分布的供体和受体组分导致形成无序域和孤立岛，以及与电极的能量浪费接触。这种无序结构与这种材料中的空穴和电子的低迁移率相结合意味着许多在它们被扫描到电极以进行收集之前重新组合。
因此，解码和实施产生高填充因子的设计原则代表了聚合物太阳能电池技术的显着进步。
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