采用疊層結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)能電池

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NIST，馬里蘭州Gaithersburg）最新的研究成果——一種新型的具有商業(yè)價(jià)值的太陽(yáng)能電池——使太陽(yáng)能電池更加接近于實(shí)際應(yīng)用。NIST的科研人員對(duì)復(fù)雜的有機(jī)光電材料進(jìn)行了深入的研究，這種新材料是有機(jī)光電器件的核心部分。

有機(jī)光電器件依靠有機(jī)物分子將吸收到的太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能，相對(duì)于傳統(tǒng)的硅材料電池具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因而成為研究的熱點(diǎn)。有機(jī)太陽(yáng)能電池的原料為一種類似墨水的物質(zhì)，將其涂覆在柔性表面從而制造出能夠覆蓋大面積的太陽(yáng)能電池模塊，這個(gè)過(guò)程與展開一卷地毯類似。有機(jī)太陽(yáng)能電池制造成本更加低廉，并且易于為多種功耗應(yīng)用所采納，但是，要真正應(yīng)用到實(shí)際還需要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

不同種類太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率相差很大，這主要取決于太陽(yáng)能電池單元的制造工藝。單晶硅太陽(yáng)能電池是在由單晶硅棒切割而成的厚度為200微米的硅片上制造的，處于試驗(yàn)階段的電池的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)接近24%，商用模塊的轉(zhuǎn)化效率也已經(jīng)超過(guò)15%。多晶硅太陽(yáng)能電池是在多晶硅錠切片上進(jìn)行加工，因而制造成本低廉，但同時(shí)電池的轉(zhuǎn)化效率也低于單晶硅電池。目前，處于實(shí)驗(yàn)室階段的多晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了18%，商用模塊的轉(zhuǎn)化效率接近14%。典型的太陽(yáng)能電池模塊的使用壽命可以達(dá)到20年左右。

從轉(zhuǎn)化效率和使用壽命的角度來(lái)看，即使是目前性能最佳的有機(jī)物太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)化效率也未達(dá)到6%，使用壽命也僅有幾千個(gè)小時(shí)。NIST的DavidGermack表示：“工業(yè)界普遍認(rèn)為，當(dāng)該太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率超過(guò)10%，同時(shí)使用壽命達(dá)到10000小時(shí)后，這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)被以更快的速度被采用。”如何對(duì)電池進(jìn)行優(yōu)化，關(guān)鍵在于了解材料內(nèi)部的變化，但我們對(duì)于這方面的研究還處于起步階段。

近期，NIST的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)材料的研究已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展，采用新型有效的測(cè)試方法揭示了如何控制有機(jī)光電材料合成的方法。有機(jī)光電器件制造工藝中所用的“墨”通常是由能夠吸收太陽(yáng)光（通過(guò)太陽(yáng)光照射使材料釋放電子）的有機(jī)物材料與富勒烯混合而成，富勒烯是一種由碳原子構(gòu)成的球形分子，主要用于收集電子。當(dāng)“墨”涂覆到表面后，有機(jī)材料和富勒烯的混合物會(huì)硬化形成薄膜，硬化過(guò)程中，有機(jī)材料所形成的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)與富勒烯通道（如圖所示）混合在一起。對(duì)于常規(guī)器件，理想狀況的有機(jī)物網(wǎng)絡(luò)要能夠完全接觸到薄膜下表面，而富勒烯通道則將與上表面接觸，從而電流能夠沿著正確的方向流出器件。盡管如此，如果在有機(jī)物與薄膜下表面之間形成富勒烯阻擋層，電池的光電轉(zhuǎn)化效率將會(huì)降低。

通過(guò)測(cè)量薄膜界面對(duì)X光的吸收情況，NIST發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變電極表面的特性，可以使其排斥富勒烯（就好象油排斥水一樣）同時(shí)吸引聚合物。這樣，界面的電學(xué)性能也會(huì)發(fā)生顯著的變化。最終的結(jié)構(gòu)將提高光電流到達(dá)恰當(dāng)電極的幾率，同時(shí)降低富勒烯在薄膜底部的沉積，這兩方面都將使太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率或者壽命得到改善。

Germack表示：“針對(duì)薄膜的邊緣，我們已經(jīng)確定了一些需要進(jìn)行優(yōu)化的重要參數(shù)，這也意味著整個(gè)行業(yè)將著手對(duì)太陽(yáng)能電池整體性能進(jìn)行優(yōu)化。”

目前，NIST的研究人員根據(jù)其對(duì)薄膜邊緣的了解，開始對(duì)整個(gè)薄膜內(nèi)部的反應(yīng)進(jìn)行研究。這方面的知識(shí)對(duì)于研究有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作原理以及老化過(guò)程，以及如何延長(zhǎng)其使用壽命至關(guān)重要。