探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 012

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

012 激子的诞生：光子撞击分子后发生的第一件大事 2025-09-25

有机光伏中，光子撞击分子后发生的第一件大事：激子的诞生。这个过程是整个有机光伏发电的起点，也是其与无机太阳能电池（如硅基）最根本的区别之一。我们可以将其分解为以下几个关键步骤：

第一步：光子吸收与电子跃迁

光子撞击：一个具有足够能量（其能量大于或等于有机材料分子的“带隙”）的光子撞击到共轭聚合物或小分子给体材料上。

能量传递：光子将其能量转移给分子中最外层的电子（通常是π电子，因为共轭体系中的π电子是离域的，更容易被激发）。

电子跃迁：获得能量的电子从低能级的最高占据分子轨道（HOMO） 跃迁到高能级的最低未占分子轨道（LUMO）。

至此，似乎和一个无机半导体吸收光子的过程一样？但关键差异马上出现。


第二步：激子的形成——关键的一跃

在无机半导体（如硅）中，光子能量只需要大于带隙，就能产生一个自由的电子和一个自由空穴，它们之间库仑束缚力很弱，可以很容易在电场作用下分开形成电流。

然而，在有机半导体中，由于：

介电常数低：有机材料的介电常数通常很低，这意味着电荷之间的屏蔽效应很弱。

分子间作用力弱：电子被激发后，通常仍然被局限在同一个分子或聚合物链段上。

因此，那个被激发到LUMO能级的电子和它在HOMO能级留下的空穴，由于强烈的正负电荷相互吸引（库仑力），并不会完全分离。它们会像被一根“绳子”拴住一样，束缚在一起。

这个由库仑力束缚在一起的“电子-空穴对”（Electron-Hole Pair），就叫做激子（Exciton）。

总结与核心要点

所以，光子撞击分子后发生的第一件大事是：生成一个激子。

名称：激子（Exciton）

本质：一种由库仑力束缚的、电中性的准粒子（因为它作为一个整体在系统中运动）。

关键特征：

束缚性：电子和空穴没有分离，作为一个整体运动。

电中性：激子整体不带电，因此无法直接被电极收集形成电流。

能量载体：它携带了光子所赋予的能量，是能量的载体而非电荷的载体。

后续故事的重要性

理解了激子的诞生，就明白了有机光伏的核心挑战和设计思路：

激子扩散：新生的激子必须能在材料中扩散，移动到给体/受体界面。

激子分离：在界面处，激子需要被拆分成自由的电子和空穴（电荷分离）。这是最关键也是最难的一步，需要精心设计材料能级和界面结构（通常使用给体/受体异质结，利用能级差提供的驱动力来克服库仑束缚）。

电荷传输与收集：自由的电荷分别被相应的电极收集，形成光电流。

简单比喻：

无机光伏（硅电池）：光子像一把锤子，直接把砖块（电子）从墙里敲出来，砖块可以自由移动。

有机光伏：光子像是一只手，抓起一块砖（电子），但还用一根有弹性的绳子（库仑力）把它和原来的位置（空穴）拴在一起。你必须跑到一个特定的“剪刀处”（给体/受体界面），才能剪断绳子，让砖块真正自由。

因此，激子的诞生是整个有机光伏过程的序幕，后续所有步骤都围绕着如何高效地“处理”这些激子而展开。