有機(jī)太陽(yáng)能電池架構(gòu)將迎來(lái)性能突破

來(lái)自比利時(shí)研究中心Imec、Plextronics和Solvay的科學(xué)家創(chuàng)造了基于有機(jī)聚合物的單結(jié)太陽(yáng)能電池架構(gòu)，轉(zhuǎn)化效率達(dá)到6.9%。最終的器件集成在一個(gè)模塊里，是Imec大規(guī)模倒裝器件架構(gòu)的研究成果，其中Plextronics提供有機(jī)聚合物，材料來(lái)自Solvay。最終的模塊采用了完整的架構(gòu)，效率達(dá)到5%，采光面積為25平方厘米（圖1）。

有機(jī)VS硅太陽(yáng)能電池

雖然有機(jī)太陽(yáng)能電池已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但在硅光伏器件占據(jù)主導(dǎo)的場(chǎng)合下，它仍然是新鮮事物。很多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為隨著性能方面的問(wèn)題不斷克服，有機(jī)電池將會(huì)是新的低成本替代方案且需求強(qiáng)烈。

有機(jī)光伏電池（OPVC）由感應(yīng)有機(jī)聚合物構(gòu)成，光吸收系數(shù)非常高。這意味著少量的材料就能夠吸收大量的光。這一點(diǎn)，以及OPVC顯著降低成本的優(yōu)勢(shì)讓該材料成為極其可行同時(shí)具有吸引力的方案，至少看上去是這樣。OPVC自身的缺點(diǎn)在于效率和穩(wěn)定性較低、壽命短以及有限的觸覺(jué)強(qiáng)度。

OPVC有兩種基本類(lèi)型：?jiǎn)螌雍投鄬?。最?jiǎn)單的是單層OPVC，將聚合物包含在兩層導(dǎo)電金屬層中。多層電池將兩層不同的聚合物層放置在導(dǎo)電材料層中。

單層器件獨(dú)特的缺點(diǎn)包括的量子效率和轉(zhuǎn)換效率較低，分別在1%至0.1%之間。另外一個(gè)問(wèn)題在于單層器件的導(dǎo)體間缺少電場(chǎng)力。

雙層OPVC克服了這些問(wèn)題，但又有其自身的一些問(wèn)題，例如聚合物的厚度就是主要問(wèn)題。為了將電荷和載流子分開(kāi)，聚合物的厚度必須和電荷的長(zhǎng)度相當(dāng)，在10nm左右。問(wèn)題在于聚合物至少需要100nm才能有效的吸收光線(xiàn)。

倒裝架構(gòu)才是可行方案

總的來(lái)說(shuō)，有機(jī)光伏的工作壽命問(wèn)題沒(méi)有得到重視。為了解決這個(gè)問(wèn)題，以延長(zhǎng)有機(jī)光伏電池壽命的倒裝架構(gòu)開(kāi)發(fā)出來(lái)了。

Imec的倒裝體異質(zhì)結(jié)（inverted bulk heterojunction）架構(gòu)可將單層和雙層拓?fù)涞碾姵匦阅芴嵘?.5%。架構(gòu)采用了低帶隙p型聚合物，含有來(lái)自Plextronix的富勒烯。

在活躍層中采用了獨(dú)特的緩沖以改善并提升光管理，讓有機(jī)物和架構(gòu)結(jié)合起來(lái)，穩(wěn)定可靠地達(dá)到6.9%的轉(zhuǎn)化效率。這是迄今為止有機(jī)物材料最好的表現(xiàn)，也是倒裝架構(gòu)最好的表現(xiàn)。

此外，倒裝器件架構(gòu)還為其他有機(jī)物材料帶來(lái)了類(lèi)似的性能提升。研究人員稱(chēng)模塊的效率水平保證了其適合更大的規(guī)模擴(kuò)充。

前景看好

基于之前的開(kāi)發(fā)成果，依靠Imec創(chuàng)新的架構(gòu)，有機(jī)太陽(yáng)能電池的未來(lái)看來(lái)非常光明（圖2）。

Imec的有機(jī)光伏團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Tom Aernouts表示，“隨著對(duì)材料和架構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，例如引入包括不同聚合物層，每層捕獲不同光譜的多結(jié)架構(gòu)，我們預(yù)計(jì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的壽命將達(dá)到10年，效率在2-3年內(nèi)提升至10%?！?/P>

Solvay的可持續(xù)能源平臺(tái)經(jīng)歷Patrick Francoisse表示，“我們相信，當(dāng)我們能夠提升效率和壽命，同時(shí)降低成本的情況下，有機(jī)光伏將在未來(lái)扮演更重要的角色?！?/P>

這很容易讓人將有機(jī)光伏現(xiàn)在的狀況和LED及固態(tài)照明領(lǐng)域的狀況做比較。LED廠(chǎng)商受制于技術(shù)，需要降低價(jià)格，而有機(jī)太陽(yáng)能電池的研究人員也需要控制成本，同時(shí)改進(jìn)技術(shù)。