串型聚合物太陽能電池創(chuàng)造新紀錄

　　為了把太陽光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化都顯示出巨大的潛力。有機聚合物的生產(chǎn)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(zhuǎn)換成電力，也包括開發(fā)出一些新的材料、器件結(jié)構(gòu)和加工技術(shù)。

串型太陽能電池的多層結(jié)構(gòu)

　　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(shù)研究院（CNSI：California Nanosystems Institute），他們報道說，他們已經(jīng)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(jié)構(gòu)，可以結(jié)合多個電池，具有不同的吸收頻段。這種設備認證的光電轉(zhuǎn)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(gòu)確實廣泛適用，光電轉(zhuǎn)換效率躍升至10.6％，這又是一個新的紀錄，認證機構(gòu)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(xiàn)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(jīng)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(jié)構(gòu)。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(zhì)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(jié)構(gòu)。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(shù)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?！?/P>

　　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(jié)構(gòu)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(jīng)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(jié)構(gòu)。b）倒置串聯(lián)太陽能電池設備的結(jié)構(gòu)（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(jié)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。“我們?nèi)〉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(xiàn)了疊層太陽能電池技術(shù)的巨大潛力?！?/P>

　　“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(shù)，我預計，這一技術(shù)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。