研究人员开发柔性有机光伏电池,成本低更灵活

邮个拥抱 2021-03-30 15:13:44

盖世汽车讯研究人员表示,未来的光伏电池可能“穿”在衣服上,置于汽车上,甚至可以出现在海滩雨伞上。


研究人员开发柔性有机光伏电池,成本低更灵活


(图片来源:techxplore)


据外媒报道,米兰理工大学(Politecnico di Milano)、埃尔朗根-纽伦堡大学(University of Erlangen-Nuremberg)和伦敦帝国理工学院(Imperial College London)的研究人员共同进行研究,重点是通过柔性有机技术制造光伏电池。目前最流行的基于有机硅技术的光伏电池呈刚性,需要使用复杂而昂贵的基础设施来制造,而且处理成本很高。


未来取代硅的一种选择方案是“塑料”太阳能电池。在这种电池中,通过由两种有机半导体(一种是电子供体,另一种是电子受体)构成的混合物,来吸收光能并将其转化为电能。采用有机分子具有若干优势,如工艺简单,生产和处理成本更低,具有机械灵活性,同时可以充分利用有机材料的化学多样性。然而,有机材料比结晶无机材料(如硅酮)具有更复杂的物理特性,尤其是在供体-受体界面发生的电荷转移过程中,会引起效率损失。


经过四年的工作,研究人员成功地用新材料制造出太阳能电池,使因界面状态引起的损失降至最低。通过超短激光脉冲来研究这些材料,确定了产生这种卓越性能背后的物理原因,并提出适用于其他材料组合的通用优化模型。基于有机技术的光伏电池,未来将成为一种成本更低的能源,而且对环境的影响更小。得益于机械上的灵活性,这种电池可以整合至各种日常用品中,比如窗户、汽车,甚至衣服和外套。

研究人员开发柔性有机光伏电池,成本低更灵活

开发清洁的可再生能源,是人类未来面临的关键挑战之一。地球的主要能源是阳光,太阳每天提供的能量是人类所需的100倍以上,因此光伏技术将成为未来最有前途的技术之一。


我科学家研获高性能柔性有机太阳能电池


此前,经过多年的努力,南开大学化学学院陈永胜教授带领科研团队日前成功制备了同时具有高导电、高透光且低表面粗糙度的银纳米线柔性透明电极,将其用于构筑柔性有机太阳能电池,与使用商业氧化铟锡(ITO)玻璃电极的器件性能相当,光电转化效率可达16.5%,刷新了文献报道的柔性有机/高分子太阳能电池光电转化效率的最高纪录。这一成果使得高效柔性有机太阳能电池距离实现产业化更近一步。11月4日,国际顶级学术期刊《自然·电子》刊发了他们在这项研究中获得的突破性进展。


柔性电子器件,特别是基于有机材料的光电器件,是未来电子器件发展的一大趋势,具有巨大的应用前景。“其中,获得高性能的柔性透明电极是实现高效柔性有机光电器件的前提,也是目前该领域的核心难题。但是,如何获得同时具有高导电、高透光、低表面粗糙度以及制备方法简单、绿色的柔性透明电极依然是巨大的挑战。”陈永胜说。


由于缺乏上述高性能的柔性透明电极,目前柔性有机光电器件的性能仍大幅度落后于相应的刚性器件。柔性透明电极通常采用干法(如蒸镀)或溶液处理(如狭缝印刷、纳米压印或电纺丝等)工艺制备。相比于干法制备,溶液处理方法制备柔性电极具有成本低,可大规模“卷对卷”印刷制备等优点,发展潜力巨大。


在逾渗阈值理论指导下,陈永胜团队利用高分子电解质,根据离子静电相互排斥原理,一步法制备了具有“类网格”结构的银纳米线柔性透明电极。该柔性透明电极实现了优异的性能,表面粗糙度低,且具有优良的机械性能和热稳定性以及制备方法简单、绿色。

研究人员开发柔性有机光伏电池,成本低更灵活

为证明其在有机光电器件中的实用性,陈永胜团队制备了基于该柔性透明电极的柔性有机太阳能电池。研究表明,该电极可适用于不同类型活性材料以及单结及叠层光伏器件。制备的柔性光伏器件与使用商业ITO玻璃电极的器件性能相当。单结和叠层柔性有机太阳能电池分别实现了13.1%和16.5%的光电转化效率,并表现出优异的机械性能,连续弯曲1000次,器件仍能保持初始效率的95%以上。


“除了应用于有机太阳能电池,这一低成本高性能柔性透明电极在其他柔性电子如有机发光二极管、晶体管、传感器等领域也将有极大的应用潜力。”陈永胜说。


来源:光明日报

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