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中科院科學家:要讓新型太陽能電池更高效穩定

國際太陽能光伏網  來源:浙江新聞  日期:2018-07-27
  為了解決日益嚴重的能源和環境問題,人們把目光投向了清潔可再生太陽能的開發和利用上。近年來,有機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池的能量轉化效率不斷攀升,應用前景良好,吸引了眾多科研工作者的關注。和常見的晶硅類太陽能電池相比,他們具有成本低、制備工藝簡單等特點,在應用上還具有柔性、輕薄、便攜等優勢,但是,效率和穩定性卻是它們的不足之處。
 
  如何解決這個問題?在浙江省自然科學基金“杰出青年項目”的支持下,通過三年多的研究,中科院寧波材料所研究員方俊鋒博士提出了一個解決方案,采用廉價的有機類材料作為界面修飾材料,在提高電池器件效率的同時,可顯著提高其穩定性。
 
  想象一塊太陽能電池板,其構成由金屬電極、界面層、吸光層等層面組成。一般而言,界面層位于吸光層和金屬電極之間,對太陽能電池的效率和穩定性具有十分重要的作用。
 
  在提升有機太陽能電池性能的研究中,在界面層材料的選擇上,方俊鋒采用了一種名為乙二胺四乙酸(EDTA)衍生物的材料,代替常用的復雜界面材料。方俊鋒說:“這是一種在分析化學中常用的廉價試劑,結果表明,它的使用可讓器件性能同樣優異,而且穩定性也大為提升。”
 
  在鈣鈦礦太陽能電池的研究中,方俊鋒主要從在空穴/電子傳輸材料著手,提升電池效率與穩定性。
 
  要了解讀懂這份研究成果,首先要了解鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換原理。
 
  鈣鈦礦太陽能電池由導電電極、鈣鈦礦吸光層、電荷(電子和空穴)傳輸層組成。當太陽光入射到電池吸光層后隨即被吸收,光子的能量將原來束縛在原子核周圍的電子激發。由于物質整體上必須保持電中性,電子被激發后就會同時產生一個額外的帶正電的對應物,物理學上將其叫做空穴。這樣的一個“電子--空穴對”就是科學家們常說的“激子”。
 
  激子被分離成電子與空穴后,分別流向電池的陰極和陽極。帶負電的電子經過電子傳輸層到陰極。帶正電的空穴經空穴傳輸層,最終到達陽極。在外電路負載的情況下,電子和空穴復合形成回路,完成電能輸運。
 
  傳統的晶硅太陽能電池光電轉換效率大約介于23%至25%之間。在研究中,方俊鋒團隊采用一種有機材料——具有羧基極性基團的聚噻吩衍生物(P3CT)作為空穴傳輸層,可實現16%以上的光伏轉換效率。方俊鋒說:“在研究中,我們發現極性羧基的引入讓鈣鈦礦溶液在空穴傳輸層上更容易鋪展,通過抗衡離子調控使得空穴傳輸層界面薄膜更加均勻,效率可從16%進一步提高到19%以上。”
 
  方俊鋒說:“基于P3CT這種空穴傳輸層的器件,我們進一步實現了水氧、熱、全光譜光照且持續負載等條件下,器件穩定性的大幅提升。這也證明了有機類材料可在電極界面及晶體界面發揮的巨大作用。”
 
  就有機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池而言,從實驗室到實際應用,還有一段較長的路要走。但通過科研人員的不斷努力,無論是有機電池還是鈣鈦礦太陽能電池,未來都將更加光明。方俊鋒說:“由于輕薄、柔性、可折疊等特點,它們可以貼在玻璃上,安裝在汽車車頂,甚至能做成窗簾,在日常生活中還可以為便攜式電子設備提供戶外充電。一旦其高效率下的穩定性問題得到解決,未來將對社會產生巨大的影響。我們會沿著這條路繼續走下去。”
 
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