串型聚合物太陽能電池創(chuàng)造新紀錄

　　為了把太陽光轉換成電能，光伏太陽能電池使用了有機導電聚合物，這樣，光線的吸收和轉化都顯示出巨大的潛力。有機聚合物的生產可以大批量、低成本進行，制成的光伏設備價格便宜、輕巧靈活。

　　在過去的幾年中，做了大量研究工作，以提高效率，用這些設備把太陽光轉換成電力，也包括開發(fā)出一些新的材料、器件結構和加工技術。

串型太陽能電池的多層結構

　　有一項新的研究，在線發(fā)表于本周2月12日的《自然?光子學》（Nature Photonics，）雜志上，題為《串型聚合物太陽能電池特色是光譜匹配的低帶隙聚合物》（Tandem polymer solar cells featuring a spectrally matched low-bandgap polymer），這些研究人員來自加州大學洛杉磯分校（UCLA）亨利薩繆里工程和應用科學學院（Henry Samueli School of Engineering and Applied Science）以及加州大學洛杉磯分校加州納米技術研究院（CNSI：California Nanosystems Institute），他們報道說，他們已經極大地提高了聚合物太陽能電池的性能，制成的設備具有新的“串聯(lián)”結構，可以結合多個電池，具有不同的吸收頻段。這種設備認證的光電轉換效率是8.62％，在2011年7月就創(chuàng)造了這一世界紀錄。

　　進一步，研究人員集成了一種新的紅外吸收高分子材料，這種材料的開發(fā)者是日本住友化學公司（Sumitomo Chemical），就集成到這種設備中，這種設備的架構確實廣泛適用，光電轉換效率躍升至10.6％，這又是一個新的紀錄，認證機構是美國能源部下屬的國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory）。

　　因為使用的電池具有不同的吸收頻段，串型太陽能電池提供了有效途徑，可利用更廣泛的太陽輻射。然而，效率不會自動提高，因為只是簡單地合并兩種電池。這些材料用于串聯(lián)電池，必須互相兼容 進行高效捕光，研究人員說。

　　到現在為止，串聯(lián)設備的性能仍然落后于單層太陽能電池，主要是因為缺乏合適的高分子材料。加州大學洛杉磯分校工程學院的研究人員已經演示了一種高效單層和串聯(lián)聚合物太陽能電池，它們的特色是一種低帶隙共軛（low-band-gap-conjugated）聚合物，用于串聯(lián)結構。這種帶隙決定了哪部分太陽光譜聚合物可以吸收。

分子設計：光學性質和電子密度屬于最高占有分子軌道（HOMO）和最低未占分子軌道（LUMO），屬于PBDTT-DPP分子。a）PBDTT-DPP分子的化學結構。b）PBDTT-DPP紫外可見光吸收光譜和和P3HT薄膜，以及太陽輻射光譜。來源：加州大學洛杉磯分校

　　“設想一輛雙層巴士，”楊陽（Yang Yang）說，他是加州大學洛杉磯分校工程學院材料科學與工程教授，也是這項研究的主要研究者?！斑@種巴士可以載一定數量的乘客，但是，如果你要增加第二層，加到第一層上方，那就可以容納更多的人，但只占用相同大小的空間。這就是我們這里所做的，就是采用串聯(lián)聚合物太陽能電池。”

　　為了更有效地使用太陽輻射，楊陽的研究小組堆疊起一系列的多個光敏層，以互補吸收光譜，這樣就制成串聯(lián)聚合物太陽能電池。他們的串聯(lián)結構包含一塊正面電池，具有更大的或更高的帶隙材料，還有一塊背面電池，具有較小或較低的帶隙聚合物電池，連接是采用專門設計的夾層。

　　電流-電壓特性和外部量子效率（EQEs），屬于常規(guī)和倒置的單電池設備。來源：加州大學洛杉磯分校

　　對比單層設備，這種串型設備可以更有效地利用太陽能，尤其是可以最大限度地減少其他能量損失。因為使用不止一種吸光材料，每一種可以捕獲不同部分的太陽光譜，所以，這種串聯(lián)電池可以維持電流，增加輸出電壓。研究人員說，這些因素可以提高效率。

　　“太陽光譜非常廣泛，包括可見光和不可見光，紅外光和紫外光，”土井修（Shuji Doi）說，他是住友化學公司研究小組經理。“我們感到非常興奮的是，住友公司的這種低帶隙聚合物促成了這一創(chuàng)造新紀錄的效率?！?/P>

　　a）P3HT、IC60BA和PC71BM的化學結構。b）倒置串聯(lián)太陽能電池設備的結構（LBG型，低帶隙）。c）倒置串聯(lián)設備的能量圖。來源：加州大學洛杉磯分校

　　“我們一直在做研究，串型太陽能電池只搞了很短的時間長度，比不上單結設備，”李剛（Gang Li）說，他是加州大學洛杉磯分校工程學院的研究成員，也是《自然?光子學》上那篇論文的合著者?！拔覀內〉眠@樣的成功，提高了效率，只用了短短的一段時間，這真正體現了疊層太陽能電池技術的巨大潛力。”

　　“一切都做好了，因為采用了一種成本非常低的濕法涂層工藝（wet-coating process），”楊陽說?！坝捎谶@個工藝可以兼容當前的制造技術，我預計，這一技術會在商業(yè)上具有可行性，就在不久的將來?！?/P>

　　這項研究開辟了一個新的方向，高分子化學家可以追求設計新材料，用于串聯(lián)聚合物太陽能電池。此外，它標志著重要的一步，是邁向商用聚合物太陽能電池。楊陽說，他的小組希望達到15％的效率，就在未來幾年。

　　這項研究資金來自美國國家科學基金會，美國空軍部隊科研辦公室，海軍研究辦公室和美國能源部，美國國家再生能源實驗室。