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由于在實(shí)驗中的一次意外發(fā)現，發(fā)展緩慢的有機太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)終于迎來(lái)了轉機，其能量轉換效率取得了重大突破。這一突破來(lái)自于電子在富勒烯分子（俗稱(chēng)“巴克球”）層中移動(dòng)的過(guò)程。密歇根大學(xué)的科學(xué)家們在試驗有機太陽(yáng)能電池架構時(shí)發(fā)現了這一點(diǎn)。當時(shí)研究人員在有機電池的產(chǎn)電層上添加了兩層富勒烯分子，光子在產(chǎn)電層撞擊以驅動(dòng)電子傳輸。 他們發(fā)現，電子在富勒烯層中移動(dòng)更自由，傳得更遠，并且還產(chǎn)生了一個(gè)“能量井”（技術(shù)上稱(chēng)為勢阱），讓電子無(wú)法逃脫。 當這些電子在富勒烯分子層中傳輸時(shí)，傳輸距離可達幾厘米（目前的有機電池中最多只能移動(dòng)幾百納米），因此能夠產(chǎn)生更大的電流。 為什么這一突破如此重要 眾所周知，有機電池的導電性很弱，因為有機材料的各個(gè)分子之間有很多松散的連接鍵。分子之間沒(méi)有高效率的導通管路，因此電子經(jīng)常被捕獲，最多只能移動(dòng)幾百納米。對于有機太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，電子被捕獲是限制電子移動(dòng)距離的主要障礙。 如果電子可以在沒(méi)有阻擋的情況下自由移動(dòng)，它們就能傳輸得更遠。對于所有的太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)都是如此，但有機電池讓電子的移動(dòng)遇到了更大的挑戰。因為電子在被捕獲之前移動(dòng)的距離不夠遠，所以無(wú)法進(jìn)入電路。這種阻礙降低了電池的導電性，并且隨著(zhù)自由流動(dòng)的電子越來(lái)越少，能量轉換效率也隨之降低。因此，由聚合物等非金屬半導體組成的有機太陽(yáng)能電池的能量轉換效率最高僅為13.1%。這種效率水平根本無(wú)法與硅基的無(wú)機太陽(yáng)能電池相媲美，后者的能量轉換效率為26.6%，目前已廣泛應用于太陽(yáng)能電池板。 不過(guò)，有機太陽(yáng)能電池的一些優(yōu)勢特性讓其仍有進(jìn)一步研究的價(jià)值。例如，除了采用更簡(jiǎn)單的聚合物加工技術(shù)使其具有降低成本的潛力外，有機太陽(yáng)能電池還更薄、更靈活、更透明。這些特性對于將陽(yáng)光高效轉化為電能至關(guān)重要。此外，在建造凈零能耗建筑 (NZEB) 或改造現有結構以提高能效時(shí)，公司可以將有機太陽(yáng)能電池整合到結構本身，比如屋頂和墻壁上。在這些地方，笨重且不夠靈活的硅基無(wú)機太陽(yáng)能電池既不實(shí)用也不可行。另外這些有機太陽(yáng)能電池還有其他優(yōu)勢，比如它們有多種顏色和配置，具有更好的美學(xué)效果。 導電性的突破 很明顯，我們需要找到一些方法來(lái)充分發(fā)揮有機太陽(yáng)能電池的潛力，而導電性的突破就是關(guān)鍵的一點(diǎn)。據密歇根大學(xué)的一篇題為《Semiconductor Breakthrough May Be a Game-Changer for Organic Solar Cells》的文章記載，研究人員在有機太陽(yáng)能電池的產(chǎn)電層上添加了富勒烯分子層，光子在產(chǎn)電層撞擊以驅動(dòng)電子傳輸。他們使用一項被稱(chēng)為“真空熱蒸發(fā)”的普通技術(shù)，對C60富勒烯進(jìn)行分層，每一層都由60個(gè)碳原子組成。他們發(fā)現電子在富勒烯層中能夠自由移動(dòng)，而不是被困在有機分子之間的松散鍵中。 有趣的是，富勒烯因其可變的雜化狀態(tài)、再雜化能力和彎曲的拓撲結構而被認為是優(yōu)秀的受體分子。（值得注意的是，自從富勒烯在太陽(yáng)能電池中的應用被發(fā)現以來(lái)，出現了一種新的高效太陽(yáng)能電池，現在被稱(chēng)為非富勒烯受體 (NFA)有機太陽(yáng)能電池。它與富勒烯具有類(lèi)似的電子接受特性，但顯然是非富勒烯分子。） 富勒烯也是電子受限材料，它們包含勢（即量子）阱。一旦電子落入富勒烯分子的勢阱，就很難出來(lái)。利用嵌入富勒烯層的電子阻擋層，就可以防止任何電子離開(kāi)并與空穴重新結合，形成額外的障礙。 電子能夠影響勢阱外區域的唯一方式是通過(guò)電子隧穿。如果將量子阱并排放置，也就是說(shuō)，富勒烯分子可以在一層中彼此相鄰，那么它們就可以形成所謂的“超晶格”。如果量子阱之間的距離小于電子隧穿波函數的范圍，那么電子波長(cháng)就可以重疊并在勢阱之間建立連接，從而使電子（和電流）流動(dòng)。因此，通過(guò)在富勒烯層中捕獲電子，分子間非常接近的勢阱讓電子能夠暢通無(wú)阻地流動(dòng)，而沒(méi)有被困住的風(fēng)險。 同樣，由于電子可以自由移動(dòng)，并且不能與產(chǎn)電層中的空穴重新結合，因此電子可以移動(dòng)得更遠，達到幾厘米，而不僅僅是幾納米，從而產(chǎn)生更大的電流。因此，如上所述，現在可能有更大的電流，不是因為單個(gè)電子攜帶的能量更多，而是因為電路中流動(dòng)著(zhù)更多的載流子（即電荷）。最終，有機太陽(yáng)能電池中具體的電流（和效率）增加情況取決于添加富勒烯之前與添加富勒烯之后相比，系統中流動(dòng)的電子數量。 對行業(yè)的影響 密歇根大學(xué)的研究人員承認，這個(gè)發(fā)現只是一個(gè)開(kāi)始，還要做更多的工作來(lái)改善有機太陽(yáng)能電池的設計，特別是要研究還有哪些有機材料能成為優(yōu)秀的電子導體。密歇根大學(xué)的工程教授Stephen Forrest預計，開(kāi)發(fā)一個(gè)主流的有機太陽(yáng)能電池解決方案可能需要長(cháng)達10年的時(shí)間。 不過(guò)，富勒烯的發(fā)現總算為有機材料用于制造高效、透明的太陽(yáng)能電池鋪平了道路。例如，太陽(yáng)能電池制造商可以將太陽(yáng)能電池的導電電極縮小成不可見(jiàn)的網(wǎng)格，并結合有機太陽(yáng)能電池的其他特性，將有機材料層壓在任何物體表面上。由于有機太陽(yáng)能電池所用的聚合物加工成本較低，這些解決方案可以在各種應用中實(shí)現合理的價(jià)格。不過(guò)也許這個(gè)發(fā)現所帶來(lái)的最大突破是，更多的發(fā)現會(huì )催生更多的進(jìn)步。 來(lái)源：貿澤電子 |
