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美国加州大学(UCLA Material Dept.)洛杉矶分校的 Prof. Yang突破有机太阳能电池效率达10.6%
2012-04-05
Prof. Yang长期从事于有机太阳能电池材料合成与电池器件制作。作为有机电池的专家,Prof. Yang曾多次受邀在知名期刊上刊登有机太阳能电池研发的相关论文。这次,Prof. Yang又再次于有机太阳能电池效率上有所突破,搭配光炎科技的太阳能电池光谱响应(Spectral Response)的分析,使转换效率达10.6%,并获得NREL的认证。

串联型聚合物太阳能电池创造新世界纪录

  通过堆叠起一系列的光敏层,互补吸收光谱,这样就制成串联聚合物太阳能电池,每一层材料可吸收不同频段的太阳光谱。

  有机导电聚合物材料被用来制造光伏太阳能电池,把太阳光转换成电能,这种电池,在光线的吸收和转化方面都显示出巨大的潜力。有机聚合物的生产可以大批量、低成本进行,制成的光伏设备价格便宜、轻巧灵活。


图:1 串型太阳能电池的多层结构。来源:加州大学洛杉矶分校


  在过去的几年中,研究人员做了大量研究工作来提高效率,用这些电池把太阳光转换成电力,也包括开发出一些新的材料、器件结构和加工技术。

  有一项新的研究,在线发表于本周2月12日的《自然•光子学》(Nature Photonics,)杂志上,题为《串型聚合物太阳能电池特色是光谱匹配的低带隙聚合物》(Tandem polymer solar cells featuring a spectrally matched low-bandgap polymer),这些研究人员来自加州大学洛杉矶分校(UCLA)亨利萨缪里工程和应用科学学院(Henry Samueli School of Engineering and Applied Science)以及加州大学洛杉矶分校加州纳米技术研究院(CNSI:California Nanosystems Institute),他们报道说,他们已经极大地提高了聚合物太阳能电池的性能,制成的器件具有新的“串联”结构,可以结合多个电池,具有不同的吸收频段。这种器件认证的光电转换效率是8.62%,在2011年7月就创造了这一世界纪录。

  进一步,研究人员集成了一种新的红外吸收高分子材料,这种材料的开发者是日本住友化学公司(Sumitomo Chemical),就集成到这种器件中,这种器件的架构确实广泛适用,光电转换效率跃升至10.6%,这又是一个新的纪录,认证机构是美国能源部下属的国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)。

  因为使用的有机电池具有不同的吸收频段,串型太阳能电池提供了有效途径来吸收更广泛的太阳辐射。然而,分析表明,只是简单的串联两种电池,电池效率不会自动提高。这些用于串联电池的材料,必须互相兼容进行高效捕光。

  到现在为止,串联器件的性能仍然落后于单层太阳能电池,主要是因为缺乏合适的高分子材料。加州大学洛杉矶分校工程学院的研究人员已经演示了一种高效单层和串联聚合物太阳能电池,它们的特色是一种低带隙共轭(low-band-gap-conjugated)聚合物,用于串联结构。这种带隙决定了哪部分太阳光谱聚合物可以吸收。



  分子设计:光学性质和电子密度属于最高占有分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO),属于PBDTT-DPP分子。a)PBDTT-DPP分子的化学结构。b)PBDTT-DPP紫外可见光吸收光谱和和P3HT薄膜,以及太阳辐射光谱。来源:加州大学洛杉矶分校


  为了更有效地使用太阳辐射,杨阳的研究小组堆叠起一系列的多个光敏层,以互补吸收光谱,这样就制成串联聚合物太阳能电池。他们的串联结构包含一块正面电池,具有更大的或更高的带隙材料,还有一块背面电池,具有较小或较低的带隙聚合物电池,连接部分是采用专门设计的夹层


电流-电压特性和外部量子效率(EQEs),属于常规和倒置的单电池设备。来源:加州大学洛杉矶分校


  对比于单层器件,这种串型器件可以更有效地利用太阳能,尤其是可以最大限度地减少其他能量损失。因为使用不止一种吸光材料,每一种可以捕获不同部分的太阳光谱,所以,这种串联电池可以维持电流,增加输出电压。研究人员认为,这些因素可以提高效率。

   “太阳光谱非常广泛,包括可见光和不可见光,红外光和紫外光,”土井修(Shuji Doi)说,他是住友化学公司研究小组经理。“我们感到非常兴奋的是,住友公司的这种低带隙聚合物促成了这一创造新纪录的效率。”


a)P3HT、IC60BA和PC71BM的化学结构。b)倒置串联太阳能电池设备的结构(LBG型,低带隙)。c)倒置串联设备的能量图。来源:加州大学洛杉矶分校


  “我们一直在做研究,串型太阳能电池只搞了很短的时间长度,比不上单结器件,”李刚(Gang Li)说,他是加州大学洛杉矶分校工程学院的研究成员,也是《自然•光子学》上那篇论文的合著者。“我们取得这样的成功,提高了效率,只用了短短的一段时间,这真正体现了叠层太阳能电池技术的巨大潜力。”
  “一切都做好了,因为采用了一种成本非常低的湿法涂层工艺(wet-coating process),”杨阳说。“由于这个工艺可以兼容当前的制造技术,我预计,这一技术会在商业上具有可行性,就在不久的将来。”


  这项研究开辟了一个新的方向,高分子化学家可以追求设计新材料,用于串联聚合物太阳能电池。此外,它标志著重要的一步,是迈向商用聚合物太阳能电池。杨阳说,他的研究小组希望能达到15%的效率,就在未来几年。


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