中科院寧波材料所方俊鋒：要讓新型太陽能電池更高效穩定
時間:2018-07-22 22:56來源:浙江在線 作者:曾楊希
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方俊鋒
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。
方俊鋒團隊制備的鈣鈦礦太陽能電池 資料圖
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。
鈦礦太陽能電池的光電轉換原理 示意圖
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”。
激子產生 示意圖
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。”
基于P3CT這種空穴傳輸層的器件 示意圖
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。”
(責任編輯：王杰)
文章標簽：
太陽能電池
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