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南开大学创下有机太阳能转换效率17.3%的新纪录

有机太阳能电池转换效率的进步速度,可说是一日千里,4月份才有科学家突破15%的纪录,近日中国南开大学团队更是将效率提升至17.3%,还表示突破到20%以上并非不可能。

硅晶太阳能为目前最常见的成本效益比最高的太阳光电技术,商业化转换率达15%~22%,更有20~25年的可用寿命,只是由于其转换效率预期难以再突破,因此科学家一直在寻找其他更高效率、低成本与无毒太阳光电技术。

其中,有机太阳能制作材料部分或全部为有机物,可溶解于油墨中、再用喷涂或是印刷制造,电池成本有望比一般硅晶太阳能电池还要低,具有可大量制造、价格低廉、材地柔软可挠曲等特性,未来甚至可结合到衣服、窗户或是汽车上。

但与此同时,它们也存有转换效率低与稳定性不高等问题,因此目前尚未达到商业化。不过,近期有机太阳能转换效率有所进展,以往效率仅停留在11%~12%左右,而美国密歇根大学的科研团队4月已开发出转换效率达15%的有机太阳能电池,使用寿命更可达20年,可说是相当大的突破。

根据估计,假如有机太阳能转换效率达15%,并拥有20年的可用寿命,每度电仅7美分,美国平均电价则为每度电10.5美分,显示有机太阳能的成本优势相当大。

而近日,中国南开大学化学学院陈永胜教授领衔的团队更带来转换效率高达17.3%的有机太阳能,并指出“材料分子结构松散”为有机太阳能电池转换效率不高的原因之一,认为电子移动率低会限制活性层的厚度,无法有效利用太阳光。

有机太阳能电池的柔性特征和本工作主要结果(图:南开新闻网)

于是,南开大学团队决定用透过串联方式,将两种不同的有机材料层结合在一起。纳米科学与技术研究中心主任陈永胜表示,串联型有机太阳能电池不仅可以克服上述难题,还可以充分发挥有机材料的特性,两种不同的材料更代表着太阳能电池可吸收不同波段的光,能有效地利用太阳光,最终产生更多电流。

科学家透过不同材料让光吸收范围相互互补,像是前侧材料可吸收300~720纳米波长的光,另一材料则负责720~1,000纳米。就好比现在也有团队将硅晶结合钙钛矿太阳能,让钙钛矿负责将绿光、蓝光转换为电能,硅则负责红光、近红外光。

“依据我们提出的半经验模型预测,有机太阳能电池(垫层)的最高转化效率理论上可以达到20%以上。本次工作中,我们同时也对电池的寿命进行了初步试验,发现166天实验后电池效率仅降低4%。未来,我们将继续设计新的材料,在进一步提高能量转化效率的同时,针对电池寿命问题进行系统的实验,争取让有机太阳能电池早日从实验室走向实际应用。”陈永胜说。

团队也相当看好有机太阳能的发展与应用,认为该技术距离商业化不远,陈永胜博士甚至将有机太阳能与OLED相比较,并表示OLED所使用的材料与有机太阳能差不多,其物理原理也是一样的,只是不同方向而已:一个是将太阳能转换成电力,OLED则是将电转换成光。

目前OLED已经达成商业化,也被广泛用于手机与高阶电视,因此陈永胜认为有机太阳能或许可在五年达成商业化。该研究已发表在《Science》。

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