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| 有機太陽能電池進化出“新物種” |
| 來源：科學(xué)網(wǎng) 作者：辛雨 時間：2019/4/11 |
因有機材料具有柔性好、重量輕、材料來源廣泛、成本低等優(yōu)勢，有機太陽能電池對大規(guī)模利用太陽能、提供廉價電能具有重要意義。
在人類利用太陽能的各項技術(shù)中，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的太陽能電池是最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。其中，有機太陽能電池是新興起的一個研究方向。因有機材料具有柔性好、重量輕、材料來源廣泛、成本低等優(yōu)勢，有機太陽能電池對大規(guī)模利用太陽能、提供廉價電能具有重要意義。
近日，蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部李永舫院士團隊教授李耀文等人在《中國科學(xué)—化學(xué)》（ScienceChinaChemistry）上發(fā)表文章，他們利用銀納米線摻雜透明導(dǎo)電聚合物，并與納米壓印的網(wǎng)格銀柔性基底復(fù)合，制備出了低面電阻、可見光高透過率的新型柔性透明復(fù)合電極，基于此電極的柔性有機太陽能電池的效率超過了12%。
“塑料”也能導(dǎo)電
目前，商品化的太陽能電池主要是以晶硅等無機半導(dǎo)體材料為活性層制備。但是，這種太陽能電池生產(chǎn)存在工藝復(fù)雜、成本高、原材料生產(chǎn)過程能耗大和污染重等弊端，同時，這類太陽能電池由于無機半導(dǎo)體本身的剛性結(jié)構(gòu)，難以制備柔性器件。因此，制備成本低、效率高、柔性強、環(huán)境友好的新型有機太陽能電池，正成為各國科學(xué)家的目標。
在人們的印象中，塑料是不導(dǎo)電的。但是，2000年諾貝爾化學(xué)獎獲得者打破了這一常識。20世紀70年代，美國科學(xué)家AlanJ.Heeger、AlanG.MacDiarmid和日本科學(xué)家HidekiShirakawa發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過氧化或還原摻雜，一類共軛聚合物能夠成為導(dǎo)體或半導(dǎo)體。
塑料就是一種聚合物。聚合物要能夠?qū)щ姡渲麈溙荚又g必須具有交替地以單鍵和雙鍵結(jié)合的共軛結(jié)構(gòu)，同時還必須經(jīng)過摻雜處理：通過氧化或還原反應(yīng)，其主鏈失去或獲得電子，從而具有導(dǎo)電性。AlanJ.Heeger等人通過研究發(fā)現(xiàn)，對共軛聚合物聚乙炔進行碘摻雜，聚乙炔能夠表現(xiàn)出像金屬一樣的導(dǎo)電性。
“AlanJ.Heeger等人開拓了導(dǎo)電聚合物領(lǐng)域。透明導(dǎo)電聚合物的電極材料是導(dǎo)電聚合物的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，有機太陽能電池就是利用共軛聚合物或共軛有機分子這種有機半導(dǎo)體材料做成的。”李耀文告訴《中國科學(xué)報》。
與以硅為代表的無機半導(dǎo)體材料相比，有機半導(dǎo)體具有成本低、材料多樣性、功能可調(diào)、可柔性印刷制備等諸多優(yōu)點。因此，有機太陽能電池的研究熱度不斷攀升。特別是近年來，有機太陽能電池的研究獲得了突飛猛進的發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)化效率不斷刷新。有機太陽能電池已經(jīng)到了商業(yè)化的“黎明前夕”。
光電轉(zhuǎn)換效率突破12%
有機太陽能電池活性層材料具有優(yōu)良的可彎曲性，這使其在柔性太陽能電池領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。
李耀文表示，高性能柔性透明電極、高效和低成本的有機半導(dǎo)體光伏材料、大面積柔性有機太陽能電池的制備技術(shù)以及器件封裝和穩(wěn)定性研究，是當前實現(xiàn)柔性有機太陽能電池商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。
李耀文告訴記者，商業(yè)化的銦錫氧化物柔性透明電極由于易脆、耐彎折性能差、面電阻高、透光率低等缺點，限制了其在柔性有機太陽能電池中的應(yīng)用。因此，發(fā)展具有優(yōu)良機械彎曲性、低面電阻、高透光率的新型柔性透明電極顯得尤為重要。
據(jù)介紹，基于銀納米線的導(dǎo)電薄膜不僅具有優(yōu)良的機械性能，而且其光學(xué)和電學(xué)性能優(yōu)異，成為極具應(yīng)用前景的柔性透明電極材料。但是，粗糙度大、附著力弱，形貌不穩(wěn)定等缺點依然限制了它在高性能柔性有機太陽能電池中的應(yīng)用。
對此，李耀文等人采用醇溶性高導(dǎo)電性、高規(guī)整度的銀納米線，對透明導(dǎo)電聚合物摻雜，通過調(diào)控摻雜比例有效調(diào)控導(dǎo)電聚合物薄膜的透過率和導(dǎo)電性，并進一步與納米壓印的網(wǎng)格銀柔性基底復(fù)合，構(gòu)筑了新型復(fù)合柔性透明電極。
他們進一步研究發(fā)現(xiàn)，銀納米線的摻入為導(dǎo)電聚合物薄膜提供了額外的電荷傳輸通道，可獲得較高的電導(dǎo)率。測試結(jié)果表明，此新型復(fù)合柔性透明電極在可見光范圍內(nèi)的平均透過率得到了顯著提升，最高透過率達到了86%。同時，面電阻降低，導(dǎo)電薄膜與基底之間也表現(xiàn)出了良好的貼合性和熱穩(wěn)定性。
“這些特點有助于下一步制備高性能的柔性有機太陽能電池。”李耀文說。
接下來，研究人員發(fā)現(xiàn)，基于這種新型復(fù)合電極制備的柔性有機太陽能電池效率達到了12.07%，表現(xiàn)出了與基于玻璃基底制備的有機太陽能電池相當?shù)男剩?2.94%）。這也是目前報道的非銦錫氧化物柔性有機太陽能電池的最高效率。
產(chǎn)業(yè)化指日可待
“十三五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃以及國家發(fā)展改革委能源局新近發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030）》明確指出，將重點發(fā)展基于有機、鈣鈦礦半導(dǎo)體材料的太陽能電池。
李耀文介紹說，盡管有機太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率與硅基、鈣鈦礦太陽能電池的效率仍有較大差距，然而，它在柔性和半透明器件方面獨特的優(yōu)勢為其產(chǎn)業(yè)化提供了廣闊的空間，有助于實現(xiàn)與硅基太陽能電池的互補、填補光伏市場在柔性和半透明器件方面的空缺。
首先，有機太陽能電池光活性層所采用的有機/聚合物材料，使其在制備柔性有機太陽能電池方面具有先天的優(yōu)勢。
此外，有機太陽能電池的光活性層通常不僅具有較薄的厚度（100~300nm），而且其光學(xué)帶隙通過對活性材料的化學(xué)剪裁可實現(xiàn)有效調(diào)控，從而拓展了有機太陽能電池在半透明和彩色電池領(lǐng)域的應(yīng)用。
“有機太陽能電池具有獨特的輕質(zhì)、半透明、多彩化、可彎曲以及可卷對卷大規(guī)模生產(chǎn)的特性，在未來的可穿戴能源設(shè)備、建筑光伏一體化、光伏帳篷和光伏大棚等領(lǐng)域的應(yīng)用上將會大放異彩。”李耀文說，“因此，柔性、半透明有機太陽能電池的研究將成為一個熱點。目前我國有很多課題組已從事相關(guān)內(nèi)容的研究。在未來的幾年內(nèi)，我國在該領(lǐng)域應(yīng)該會有更大的突破、會有很多科研成果出現(xiàn)。”
據(jù)了解，中科院院士、中科院化學(xué)研究所研究員、蘇州大學(xué)教授李永舫已著手相關(guān)產(chǎn)業(yè)化布局，在江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有機光電技術(shù)研究所成立了光伏中心。光伏中心已配備相關(guān)研發(fā)人員和設(shè)備，主要開展有機太陽能電池光伏材料的放大量合成，以及柔性有機太陽能電池的大面積制備和穩(wěn)定性研究。
談到柔性有機太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化，李永舫對《中國科學(xué)報》說：“柔性有機太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化需要一步一步向前推進。”他表示，首先是高效和低成本有機光伏材料的開發(fā)和放大合成，以及高性能柔性透明電極的開發(fā)和大面積制備；其次需要開展柔性器件的大面積制備工藝、器件穩(wěn)定性以及封裝材料和工藝的研究；最后需要與公司合作，制備柔性有機太陽能電池組件，并建立柔性有機太陽能電池生產(chǎn)線，實現(xiàn)柔性有機太陽能電池的大規(guī)模應(yīng)用。
“有機太陽能電池是中國人引領(lǐng)的一個研究領(lǐng)域，我們一定要在中國率先實現(xiàn)柔性有機太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化。”李永舫說。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1007/s11426-018-9430-8
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