【有機PV可實現更高效率】

江南布衣

【有機PV可實現更高效率】

 

加拿大國家納米研究中心（NINT，阿爾伯塔省Edmonton）以及阿爾伯塔大學（University of Alberta）的研究人員開發了一種新穎的方法，可以改進塑膠太陽能電池（混合有機光伏）的性能。

 

該項研究可以提高塑膠太陽能電池板的效率，相對於矽基太陽能電池來說，是一種低成本的替代方案。
 

塑膠太陽能電池由不同的材料層疊組成，每一層都有特定的功能，因此也被稱為三明治結構。

 

阿爾伯塔大學的化學教授Jillian Buriak，同時也是NINT研究小組的首席科學家，採用最為通俗的語言描述他們的方法：“就把它想像成一個三明治，”

 

她說。“一層吸收光，另一層用來產生電子，其他層用來分離電荷，並使電荷達到對應的電極。

 

一般來講，出現的問題是這些層之間的結合並不很好，導致有些位置電子根本沒法產生，或者產生了也達到不了電極。

 

所以我們現在的工作就是製作‘蛋黃醬’、‘芥末醬’、‘黃油’，以及其他‘特別醬料’，可以讓三明治的各層結合的更好，使電池的各層協同工作，實現更高的效率。”
 

Buriak展示了有機光伏器件的光明未來。

 

“如果製作有機太陽能電池，你將不需要採用全面的矽材料，矽是一種單一的材料可以完成很多事情，比如製作p-n結光電池。

 

單一的塑膠卻無法完成這些，所以你需要採用多種有機高分子疊在一起——就像芥末醬、蛋黃醬和生菜——它們需要相互協調得到良好的介面。”

他們的研究主要是採用那些可用於太陽能電池的已知材料，並通過實驗進行驗證。

 

“太陽能電池的核心就是電荷，並且你將一層材料疊層到其他材料上時，會產生局部過熱點，”

 

Buriak介紹說：“如同觀察手裏的三明治，你會發現，生菜往往並不會與麵包形成均勻的接觸，而只是有若干接觸點而已。這種情況與塑膠完全相似，這樣所有的電荷都只能通過這些局部過熱點，而其他部分卻完全浪費。”
 

研究人員發現了如何“鋪平生菜”的方法，使電荷的分佈更加均勻，這樣整個結構都處於工作狀態，而不是僅有數個過熱點工作而形成瓶頸。

 

“我們通過表面化學方法修改透明導電材料的性能，使用非常薄（<1 nm）的有機分子層，它本身具有一定的導電能力。

 

之後我們繼續生長另一層有機層ePEDOT，這是一層導電高分子，但我們採用電化學方法生長，而不是簡單的塗覆工藝。

 

這就像採用了黃油分子，之後在其上生長出黃油，而不是僅僅塗一下。這樣在透明電極和其他層之間的接觸就會非常均勻。”
 

該小組研究了在氧化銦錫（ITO）襯底上生長和表徵thienylsilane分子層。

 

研究人員發現，該分子層可以降低3,4- ethylenedioxythiophene發生電化學高分子所需的氧化勢。

 

這樣電化學法生長的poly (3,4-ethylenedioxythiophene):poly(p-styrenesulfonate)（ePEDOT:PSS）薄膜具有更高的覆蓋均勻性，同直接在ITO上生長的類似薄膜相比，顯示出更低的粗糙度和更高的電導率。

 

如果採用thienylsilane改進的ITO電極，製作2,5-diyl-poly(3-hexylthiophene) (P3HT)/[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester（PCBM）體材異質結太陽能電池，可以得到比未改進ITO控制電極更高的效率。
 

得到的效率從數字上看可能並不十分令人驚喜。

 

矽基太陽能電池的效率紀錄是24-28%。

 

有機太陽能電池從未達到過這樣的程度；它們一般低於10%，並很可能保持這種水準。

 

然而，在太陽能發電領域，能否進行大規模運用，實際上依賴於每瓦特-時的價格和壽命期的輸出。

 

由於這類效率低於10%的電池所用的材料極少，使得其製造成本很低，這樣其每瓦-時價格也具有相當的競爭力。

 

有機太陽能電池的可製造性非常強，很容易沉積到塑膠薄層上，實現卷軸到卷軸的工藝。

 

矽基電池則依賴於高純度材料，需要很高的能耗並且其成本更高。
 

 

“採用高分子你可以做任何事情，”

 

Buriak說。“你無需受困於一種元素，看其為所欲為。

 

你可以將高分子設計得符合你的要求，因為採用有機化學，你可以獲得任何你需要的東西，從想法的塗塗畫畫開始，最終得到你的產品。

 

在介面上採用這些亞納米尺寸的薄層，可以對器件性能產生深刻影響。

 

我們希望通過對這些介面的詳細研究，可以把我們的‘蛋黃醬’塗得更好，我們將會得到巨大的改進。”
 

研究人員已經完成了原理驗證，繼續進行該方法的研究將會有更多的成果。

 

加拿大的科學家們在進行了兩年研究之後，模型的效率提升約為30%。這是一個交叉學科的研究小組，其成員具有工程物理和化學背景，為了實現廉價、可製造的PV電池而通力合作。

 

研究人員預計，多學科的方法可以使塑膠PV電池板在未來五到七年內實現量產，讓太陽能服務於每一個人。
 

 “下一代太陽能技術將屬於塑膠，”Buriak這樣認為，並補充說，採用類似噴墨印刷的方法，塑膠太陽能材料將實現廉價、快速地大規模製造。

 

談到未來，Buriak認為，“我們有很多層可以改進；我們還需要添加其他的芥末醬和蛋黃醬層。目前我們每次只優化一個介面層。”

 

 

在體材異質結光伏器件中，施主和受主材料通過晶相分離，這樣可以得到更大的介面面積，有利於提高電荷轉移。

 

引用：http://tw.myblog.yahoo.com/jw!33ywHnGTEQfNYp55CA_X8A--/article?mid=1609