有機太陽(yáng)能電池架構將迎來(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 )造了基于有機聚合物的單結太陽(yáng)能電池架構，轉化效率達到6.9%。最終的器件集成在一個(gè)模塊里，是Imec大規模倒裝器件架構的研究成果，其中Plextronics提供有機聚合物，材料來(lái)自Solvay。最終的模塊采用了完整的架構，效率達到5%，采光面積為25平方厘米（圖1）。

有機VS硅太陽(yáng)能電池

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

有機光伏電池（OPVC）由感應有機聚合物構成，光吸收系數非常高。這意味著(zhù)少量的材料就能夠吸收大量的光。這一點(diǎn)，以及OPVC顯著(zhù)降低成本的優(yōu)勢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)在于效率和穩定性較低、壽命短以及有限的觸覺(jué)強度。

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電金屬層中。多層電池將兩層不同的聚合物層放置在導電材料層中。

單層器件獨特的缺點(diǎn)包括的量子效率和轉換效率較低，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(cháng)度相當，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)。

倒裝架構才是可行方案

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

Imec的倒裝體異質(zhì)結（inverted bulk heterojunction）架構可將單層和雙層拓撲的電池性能提升0.5%。架構采用了低帶隙p型聚合物，含有來(lái)自Plextronix的富勒烯。

在活躍層中采用了獨特的緩沖以改善并提升光管理，讓有機物和架構結合起來(lái)，穩定可靠地達到6.9%的轉化效率。這是迄今為止有機物材料最好的表現，也是倒裝架構最好的表現。

此外，倒裝器件架構還為其他有機物材料帶來(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模擴充。

前景看好

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

Imec的有機光伏團隊負責人Tom Aernouts表示，“隨著(zhù)對材料和架構的進(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架構，我們預計有機太陽(yáng)能電池的壽命將達到10年，效率在2-3年內提升至10%?！?/P>

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

這很容易讓人將有機光伏現在的狀況和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)。