串型聚合物太阳能电池创造新纪录
发布时间：2012-2-20 23:26
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为了把太阳光转换成电能，光伏太阳能电池使用了有机导电聚合物，这样，光线的吸收和转化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。 在过去的几年中，做了大量研究工作，以提高效率，用这些设备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。 
串型太阳能电池的多层结构 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，制成的设备具有新的“串联”结构，可以结合多个电池，具有不同的吸收频段。这种设备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），就集成到这种设备中，这种设备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，可利用更广泛的太阳辐射。然而，效率不会自动提高，因为只是简单地合并两种电池。这些材料用于串联电池，必须互相兼容 进行高效捕光，研究人员说。 到现在为止，串联设备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 “设想一辆双层巴士，”杨阳（Yang Yang）说，他是加州大学洛杉矶分校工程学院材料科学与工程教授，也是这项研究的主要研究者。“这种巴士可以载一定数量的乘客，但是，如果你要增加第二层，加到第一层上方，那就可以容纳更多的人，但只占用相同大小的空间。这就是我们这里所做的，就是采用串联聚合物太阳能电池。”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，连接是采用专门设计的夹层。 
对比单层设备，这种串型设备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。研究人员说，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，比不上单结设备，”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，它标志着重要的一步，是迈向商用聚合物太阳能电池。杨阳说，他的小组希望达到15％的效率，就在未来几年。 这项研究资金来自美国国家科学基金会，美国空军部队科研办公室，海军研究办公室和美国能源部，美国国家再生能源实验室。 来源：麻省理工科技创业 新型太阳能电池最大效率可增加25% 新的太阳能电池可以增加太阳能电池板的最大效率，增幅达25％以上，这是根据英国剑桥大学（University of Cambridge）的科学家所说。 这些科学家来自剑桥大学物理系卡文迪什实验室（Cavendish Laboratory），他们开发出一种新型太阳能电池，利用太阳能量远比传统设计更有效。这项研究发表在今天的杂志《纳米快报》（Nano Letters）上，可以大大提高太阳能电池板产生的可用能量。 
太阳能电池板运行时，吸收的能量来自光粒子，称为光子，光子随后生成电子，产生电力。传统的太阳能电池只能捕捉一部分太阳光，而且已吸入光子的很多能量，尤其是蓝色光子的能量，都会散失为热量。这就不能吸收全部能量，所有不同颜色的光就不能一次吸收，这意味着，传统的太阳能电池不能把34％以上的可用阳光转换成电力。 剑桥大学研究小组的领导是尼尔•格林汉姆（Neil Greenham）教授和理查德•弗兰德（Richard Friend）教授，他们开发出一种混合电池，可吸收红光，也可以利用额外的蓝光能量，以增大电流。通常情况下，太阳能电池每产生一个单电子，都需要捕获一个光子。然而，只要添加上并五苯（pentacene）这种有机半导体材料，太阳能电池产生两个电子，就只需要一个光子，这种光子来自蓝色光谱。这可以使电池捕获44％的入射太阳能量。 布鲁诺•埃尔勒（Bruno Ehrler）是论文的第一作者，他说：“有机和混合型太阳能电池具有优越性，胜过现有的硅基技术，因为它们的生产可以大批量低成本进行，这是因为采用卷对卷印刷。然而，太阳能电站的很大成本是土地，劳动力和安装硬件。因此，即使有机太阳能电池板比较便宜，我们也需要提高效率，使它们具有竞争力。否则，就会像是买了一幅便宜的油画，才发现你需要一个昂贵的画框。” 马克•威尔逊（Mark Wilson）是论文的另一个作者，他说：“我认为，非常重要的是我们要走向可持续发展的能源，而令人兴奋的是可以协助探索可能的解决方案。” 阿克沙伊•拉奥（Akshay Rao）博士是论文的联合作者，他指出：“这仅仅是第一步，要迈向新一代太阳能电池，我们感到非常兴奋是可以参与这项工作。” 更多信息：论文《单线态激子裂变敏化红外量子点太阳能电池》（Singlet Exciton Fission-Sensitized Infrared Quantum Dot Solar Cells）刊登在2012年2月8日一期的《纳米快报》上。 文章中说：“我们演示了一种有机/无机混合的光伏设备架构，采用单线态激子裂变（singlet exciton fission），每吸收一个高能光子，可以收集到两个电子，同时，也可以利用低能量的光子。这种太阳能电池，红外光子吸收使用硫化铅（PbS： lead sulfide）纳米晶体。可见光光子的吸收采用五环素，以创造单线态激子，经过快速激子裂变，产生配对三重线态（triplets）。最重要的是，我们确定，这些三重线态激子可以电离，这要采用有机/无机异质结面（heterointerface）。我们报道的内部量子效率超过50％，而功率转换效率接近1％。这些结果表明，有一种替代方法，可以规避肖克利-奎伊瑟极限（Shockley-Queisser limit），就是单结太阳能电池（single-junction solar cells）功率转换效率的极限。” 来源：麻省理工科技创业 |
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