太阳能对于清洁能源的未来至关重要。传统上，太阳能是使用硅来收集的——硅是日常电子设备中使用的半导体材料。但硅太阳能电池板有缺点：例如，它们价格昂贵，难以安装在曲面上。

为了解决这些缺点，研究人员已经开发出太阳能收集的替代材料。其中最有前途的材料是所谓的“有机”半导体，即地球上储量丰富、价格低廉且环境友好的碳基半导体。

堪萨斯大学物理学和天文学副教授 Wai-Lun Chan 表示：“它们有可能降低太阳能电池板的生产成本，因为这些材料可以使用基于溶液的方法涂覆在任意表面上，就像我们粉刷墙壁一样。”

“这些有机材料可以调节以吸收选定波长的光，可用于制造透明太阳能电池板或具有不同颜色的电池板。这些特性使有机太阳能电池板特别适合用于下一代绿色和可持续建筑。”

虽然有机半导体已用于手机、电视和虚拟现实耳机等消费电子产品的显示屏，但它们尚未广泛应用于商用太阳能电池板。有机太阳能电池的一个缺点是光电转换效率低，约为 12%，而单晶硅太阳能电池的效率为 25%。

陈教授表示，有机半导体中的电子通常与带正电的“空穴”结合。这样，有机半导体吸收的光通常会产生电中性的准粒子，即“激子”。

但最近开发出一种新型有机半导体，即非富勒烯受体 (NFA)，改变了这一模式。用 NFA 制成的有机太阳能电池效率可接近 20%。

尽管性能出色，但科学界仍不清楚为何这类新型 NFA 的性能明显优于其他有机半导体。

在《先进材料》杂志上发表的一项突破性研究中，Chan 和他的团队，包括物理和天文系的研究生 Kushal Rijal(主要作者)、Neno Fuller 和 Fatimah Rudayni，以及堪萨斯大学化学教授 Cindy Berrie 合作，发现了一种微观机制，可部分解决 NFA 所取得的出色性能。

这一发现的关键在于主要作者 Rijal 使用一种被称为“时间分辨双光子光发射光谱法”或 TR-TPPE 的实验技术进行的测量。这种方法使团队能够以亚皮秒时间分辨率(不到万亿分之一秒)跟踪激发电子的能量。

“在这些测量中，Kushal [Rijal] 观察到 NFA 中的一些光激发电子可以从环境中获得能量，而不是向环境中损失能量，”Chan 说。“这种观察是违反直觉的，因为激发电子通常会向环境中损失能量，就像一杯热咖啡向周围环境散热一样。”

研究小组认为，这一不同寻常的过程之所以在微观尺度上发生，是因为电子的量子行为，即一个激发电子可以同时出现在多个分子上。这种量子奇异性与热力学第二定律相吻合，热力学第二定律认为，每个物理过程都会导致总熵增加(通常称为“无序”)，从而产生不同寻常的能量增益过程。

“在大多数情况下，热物体会将热量传递到其周围寒冷的环境，因为热传递会导致总熵值增加，”Rijal 说道。“但我们发现，对于排列成特定纳米级结构的有机分子，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可以产生电流。”

根据实验结果，该团队提出，这种熵驱动的电荷分离机制可以使用 NFA 制成的有机太阳能电池实现更高的效率。

“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，”Rijal 说。“尽管熵是物理学和化学中一个众所周知的概念，但它很少被积极用于提高能量转换装置的性能。”

不仅如此：虽然 KU 研究团队认为这项研究中发现的机制可用于生产更高效的太阳能电池，但他们还认为它可以帮助研究人员设计更高效的光催化剂用于太阳能燃料生产，这是一种利用阳光将二氧化碳转化为有机燃料的光化学过程。