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【太陽能電池板】刷新記錄!我國科學家大幅提升有機太陽能電池光電轉化效率

【太陽能電池板】刷新記錄!我國科學家大幅提升有機太陽能電池光電轉化效率

作者:admin    來源:轉載    發布時間:2018-08-22 09:47    瀏覽量:

出品:科普中國

 

制作:中國科學院半導體研究所 蘇濤

 

監制:中國科學院計算機網絡信息中心

 

北京時間2018年8月10日,國際頂級學術期刊《科學》(Science)上發表了一篇重大科研進展,由中國南開大學陳永勝教授團隊設計和制備的具有高效、寬光譜吸收特性的疊層有機太陽能電池材料和器件,能實現17.3%的光電轉化效率,刷新了目前文獻報道的有機/高分子太陽能電池光電轉化效率的世界最高紀錄。

 

哎哎哎別關別關,不是標題黨,這文章背后好多有意思的事兒呢,比如這么爆炸性的科研成果,論文的第一作者居然只是一個研二的學生,你坐下聽筆者給你講講唄。

 

 

你知道嗎?去年這時候寶島臺灣發生大規模停電,我們的臺灣同胞不知道是不是因為天熱燒糊涂了,居然提出要“用愛發電”。。。雖然這事兒挺好玩,但笑過以后我們也應該思考思考,面對日益嚴重的能源危機,我們以后該何去何從?

 

 

神奇的用愛發電大隊

 

坎坷的太陽能電池研究歷程

 

實際上為了應對能源危機,我國的科學家早就開始研究既可持續利用又清潔環保的新能源,太陽能就是其中之一。眾所周知,太陽通過持續聚變,源源不斷地給地球送來巨大能量,如果能利用其中的萬分之一,就不存在能源危機了。

 

 

世界能源消耗與太陽輻射到地球的能量的比值

 

那如何利用太陽這個大寶庫呢?這就要靠太陽能電池了。太陽能電池的基本原理就是把光變成電,這早在1839年,就被法國科學家貝克勒爾發現并命名為“光生伏特效應”。

 

直到一百年多后的1954年,光伏效應才被美國貝爾實驗室的Chapin和Fuller利用,首次制成了實用的無機單晶太陽能電池,光電轉化效率為6%。

 

 

隨后,這種比新中國晚幾年出生的電子器件,由于結構簡單、使用方便,技術迅速擴散,走進了千家萬戶。

 

 

但是隨著廣泛的應用,這種無機晶硅太陽能電池(以下稱無機電池)的許多毛病也暴露出來。

 

其一,電池易損,運營成本大。這種無機電池主要用的是硅,這玩意屬于脆性材料,易損且延展性不好,很可能辛辛苦苦造出一塊兒電池板,卻沒用多久就壞了。

 

其二,無機電池的制造成本高,這使得它不能真正代替火電。到底怎么個貴法呢?光伏發電成本折算下來,平均一度要比火電貴3~5倍,那肯定大家還是用便宜的火電嘛。

 

其三,帶隙限制太陽能電池效率。就是說無機電池只能吸收一部分頻段的太陽光,這個留在后面講。

 

 

晶體硅太陽能電池面板

 

針對這三個問題,研發新型的太陽能電池迫在眉睫。在尋找太陽能電池新材料時,科學家們想找一種延展性好又便宜的材料,仔細一想,那不就是塑料嘛(高分子聚合物)。塑料確實完美符合要求,但它有個致命的問題--它不導電啊!電都不導,怎么做電池?

 

 

但唯物辯證法告訴我們,事物沒有絕對。塑料不導電只是相對不導電,有些情況下也是可以導電的。1967年日本化學家在合成聚乙炔的過程中,一個不留神,加入了超常規用量上千倍的催化劑,得到了一種銀白色帶金屬光澤的聚乙炔。

 

 

聚乙炔的化學結構式(上)和球棍模型圖(下)

 

然后神奇的事出現了,這種高分子材料導電了,而且導電率堪比金屬銀!

 

 

三位科學家也因此獲得2000年諾貝爾化學獎

 

這種有機導電材料出現后,迅速與當時發展的如火如荼的半導體行業結合,正式拉開了有機半導體材料的研究篇章。此后大量有機半導體材料涌現了出來,故事到這,離有機太陽能電池只有一步之遙。

 

也許是天意,最后推動有機導電材料與太陽能電池結合的,正是一位華人--美國柯達公司的美籍華裔科學家鄧青云博士,要么說有機太陽能電池與我們華人有緣呢。

 

1986年,鄧博士在研究有機半導體材料時,創造性想到,是不是可以拿它來制造太陽能電池呢?隨后通過他的努力,第一塊有機太陽能電池就誕生了,其能量轉化效率為1%,雖然轉化效率很低,卻實現了有機太陽能電池從0到1的突破。

 

 

OLED之父-鄧青云博士

 

之后,有機太陽能電池(以下稱有機電池)迅速發展,各種新技術新成果層出不窮,而最新進展便是由本文開頭提到的南開大學的化學學院陳永勝教授領銜的團隊做出的。

 

說到這大家可能一頭霧水,陳教授他們到底做了啥啊?什么叫高效?什么叫寬光譜吸收?什么叫疊層?最最關鍵的是,這個有機電池它到底長什么樣啊?下面筆者給大家介紹介紹。

 

此次突破性進展,亮點都在這里

 

這份工作里最亮眼的成就在于它超高的光電轉化效率。本來因為有機材料載流子遷移率低,導致其能量轉化效率一般都很低。但通過努力研究,陳老師他們克服了這個難題,將轉化效率提高到17.3%,大大超越了之前13.8%的有機光伏電池的世界紀錄(中科院化學所侯劍輝課題組)。

 

 

遷移率說的是電子跑的快慢

 

要知道提高光電轉化率這事兒和減體重一樣,每一個百分點的進步都極其不易。更為難能可貴的是,這種電池的壽命還長,經過166天實驗后電池效率僅降低4%,這在無機電池中也是不多見的,更凸顯了這項研究的價值。

 

那寬光譜吸收特性是什么呢?太陽能電池要用的光,可不僅是我們常見的可見光,還要用電磁波譜里的好多頻段。

 

 

可見光只是電磁波中很小的一部分

 

電磁波很寬分為很多頻率區間,通常頻率越高則能量越大。這個很好理解,就比如女聲頻率高,所以聽起來會比男聲刺耳。

 

而把這些光轉化為電的原理,其實很簡單。就是有一種叫半導體的材料會吸收光的能量,放出電子,從而產生電流。這就好比我們把光當作一個錘子,拿這個錘子去錘半導體,就能錘出電來。

 

 

有意思的是,如果有大錘子(紫外線)、中錘子(可見光)和小錘子(紅外線),對有些半導體材料,只有頻率高、能量大的大錘子才能錘出電來,而能量小的小錘子,再怎么錘也不能產生電。很不幸,無機電池就是這樣。而有機電池卻是三把錘子都能使,這就是有機電池的寬光譜吸收。

 

 

而采用疊層結構,就是像千層餅一樣有很多層,有的吸收紫外線,有的吸收可見光,大家分工合作,這樣就把太陽光充分利用了起來。

 

 

有機太陽能電池疊層結構

 

那這個有機電池長啥樣呢?其實它的結構很簡單。和所有太陽能電池一樣,有機電池也是由一個P型區(positive)與一個N型區(negative)組成的pn結構成的。

 

 

pn結的P型區帶正電的空穴多,N型區帶負電的自由電子多

 

所謂“有機”就是指它的pn結組成材料用了有機的導電聚合物,而不是傳統的無機材料。

 

 

在N型區電子受體是富勒烯及衍生物材料,而在P型區用的電子供體則是PC71BM、F-M等共軛的高分子聚合物

 

當然不僅材料與無機電池不同,在結構上有機電池也很有創新。由下圖可以看到,無機的電池pn結有明顯的層級結構,像一個夾層奧利奧。而有機電池則有一種奇特的三維結構,像個蔥花餅。

 

 

無機電池和有機電池的結構優缺點比較

 

總結一下,陳教授做的這個有機電池長的像個蔥花餅千層,能用好多把光錘子錘出電,還特善于把光變成電,是不是超級厲害!

 

還有更厲害的呢,這么做出來的有機電池就像塑料一樣,質輕且“柔軟”、耐撕耐捏,簡直完美。

 

 

因為大多數有機半導體材料的密度是比水小的(小于1克/立方厘米),而單晶硅的密度大約是2.3克/立方厘米,所以相同體積下有機電池要比無機電池輕 。

 

還有就是制造工藝簡單,往常無機電池要倒騰7步才能做出來,我們有機電池只要3步,而且還能用印刷機嗖嗖的印刷出來了。

 

 

無機電池工藝流程與有機電池工藝流程對比

 

新型太陽能電池的應用前景

 

講這么多,那你說這有機電池到底能用來干嘛?那可多了去了,比如利用它 “軟”的特性,來制造柔性電池。

 

 

可彎曲的柔性太陽能電池

 

這種柔性電池具有良好延展性,使得它可用來給機器人供電、給皮膚傳感器充電等等,就像個電池創可貼,哪里缺電“貼”哪里。

 

 

還有就是可制造透明電池。如果用紫外光區域和近紅外區域具有良好互補吸收的兩種材料分別作為前電池和后電池的活性層材料,那么電池可以讓大部分可見光透過,專門吸收肉眼不可見的紫外線和紅外線。

 

試想一下,如果把房屋的窗戶換成這種透明電池,不僅可以享受陽光而且會讓人曬黑的紫外線等光還能被窗戶吸收,為屋子供電,簡直美滋滋。

 

 

透明有機太陽能電池

 

當然有機電池還將在許多方面得到廣泛的應用,比如手機顯示、大型平板顯示、可折疊電腦屏幕和還有仿生學電子皮膚上,只有你敢想,我就敢給你實現!

 

不久前中興被美國制裁時,不少人對國內的集成電路的落后痛心疾首,甚至有人說中國做科研的都是吃干飯的。實際上作為一個大國,方方面面都要發展,各行各業的發展速度有快有慢是很正常的。就比如很少有人知道,我國在太陽能電池領域,就是當之無愧的霸主。

 

不僅在研究上我們處于世界前列,而且在產業上全世界光伏前十的企業里,七家是中國公司,排名前三的都被中國包攬了。科技實力的提升離不開國家的大力支持,也離不開像陳教授這樣的科研人員的努力工作。我們寫科普也是希望告訴大家,在你看不見的地方,確實有人在為你負重前行。

 

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