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由于在實驗中的一次意外發現，發展緩慢的有機太陽能電池產業終于迎來了轉機，其能量轉換效率取得了重大突破。這一突破來自于電子在富勒烯分子（俗稱“巴克球”）層中移動的過程。密歇根大學的科學家們在試驗有機太陽能電池架構時發現了這一點。當時研究人員在有機電池的產電層上添加了兩層富勒烯分子，光子在產電層撞擊以驅動電子傳輸。 他們發現，電子在富勒烯層中移動更自由，傳得更遠，并且還產生了一個“能量井”（技術上稱為勢阱），讓電子無法逃脫。 當這些電子在富勒烯分子層中傳輸時，傳輸距離可達幾厘米（目前的有機電池中最多只能移動幾百納米），因此能夠產生更大的電流。 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分子之間有很多松散的連接鍵。分子之間沒有高效率的導通管路，因此電子經常被捕獲，最多只能移動幾百納米。對于有機太陽能電池來說，電子被捕獲是限制電子移動距離的主要障礙。 如果電子可以在沒有阻擋的情況下自由移動，它們就能傳輸得更遠。對于所有的太陽能電池來說都是如此，但有機電池讓電子的移動遇到了更大的挑戰。因為電子在被捕獲之前移動的距離不夠遠，所以無法進入電路。這種阻礙降低了電池的導電性，并且隨著自由流動的電子越來越少，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法與硅基的無機太陽能電池相媲美，后者的能量轉換效率為26.6%，目前已廣泛應用于太陽能電池板。 不過，有機太陽能電池的一些優勢特性讓其仍有進一步研究的價值。例如，除了采用更簡單的聚合物加工技術使其具有降低成本的潛力外，有機太陽能電池還更薄、更靈活、更透明。這些特性對于將陽光高效轉化為電能至關重要。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，公司可以將有機太陽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機太陽能電池既不實用也不可行。另外這些有機太陽能電池還有其他優勢，比如它們有多種顏色和配置，具有更好的美學效果。 導電性的突破 很明顯，我們需要找到一些方法來充分發揮有機太陽能電池的潛力，而導電性的突破就是關鍵的一點。據密歇根大學的一篇題為《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能電池的產電層上添加了富勒烯分子層，光子在產電層撞擊以驅動電子傳輸。他們使用一項被稱為“真空熱蒸發”的普通技術，對C60富勒烯進行分層，每一層都由60個碳原子組成。他們發現電子在富勒烯層中能夠自由移動，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、再雜化能力和彎曲的拓撲結構而被認為是優秀的受體分子。（值得注意的是，自從富勒烯在太陽能電池中的應用被發現以來，出現了一種新的高效太陽能電池，現在被稱為非富勒烯受體 (NFA)有機太陽能電池。它與富勒烯具有類似的電子接受特性，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。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電子隧穿。如果將量子阱并排放置，也就是說，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。因此，通過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阻地流動，而沒有被困住的風險。 同樣，由于電子可以自由移動，并且不能與產電層中的空穴重新結合，因此電子可以移動得更遠，達到幾厘米，而不僅僅是幾納米，從而產生更大的電流。因此，如上所述，現在可能有更大的電流，不是因為單個電子攜帶的能量更多，而是因為電路中流動著更多的載流子（即電荷）。最終，有機太陽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，系統中流動的電子數量。 對行業的影響 密歇根大學的研究人員承認，這個發現只是一個開始，還要做更多的工作來改善有機太陽能電池的設計，特別是要研究還有哪些有機材料能成為優秀的電子導體。密歇根大學的工程教授Stephen Forrest預計，開發一個主流的有機太陽能電池解決方案可能需要長達10年的時間。 不過，富勒烯的發現總算為有機材料用于制造高效、透明的太陽能電池鋪平了道路。例如，太陽能電池制造商可以將太陽能電池的導電電極縮小成不可見的網格，并結合有機太陽能電池的其他特性，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現合理的價格。不過也許這個發現所帶來的最大突破是，更多的發現會催生更多的進步。 來源：貿澤電子 |
