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寿命可达30年的有机太阳能电池诞生

2021-10-12 19:03 中国航空报 CAN译讯 专栏

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近日,密歇根大学团队联合浙江大学和天津大学,联合开发一种光伏电池,该电池可用于制造太阳能窗户。这种耐用的设计,给太阳能窗户商业化带来了重要突破。

据介绍,该研究提出了寿命可达30年的半透明太阳能电池,同时还可将光电转换效率保持在10%左右。这应该是目前为止寿命最长的高效率半透明有机太阳能电池。

研究人员称,这种电池在55℃的温度下运行1900小时后,仍能保持80%的电池性能。光伏电池的透明度为40%,未来他们有信心实现60%的透明度。

9月14日,相关论文以《非富勒烯受体有机光伏具有超过30年的潜在运行寿命》(Non-fullerene acceptor organic photovoltaics with intrins coperational lifetimes over 30 years)为题,发表在Nature Communications上。

研究人员估计,以美国为例如果这种材料能覆盖美国70亿平方米左右的玻璃表面,那么它可以满足美国40%的能源需求。

此次论文的通讯作者、密歇根大学电气工程专业的斯蒂芬·福雷斯特(Stephen Forrest)教授告诉媒体:“太阳能大概是自工业革命以来人类生产的最便宜的能源形式。在窗户上使用这些设备,你的建筑就变成了发电厂。”

足够透光又同时能发电的智能窗户是有机光电领域近年来的研究热点之一。30年的使用寿命基本上和常用硅基太阳能电池差不多,但硅基太阳能电池基本上不透光也一般没法作为窗户使用。

该研究的结果也表明这种新型太阳能电池的稳定性也比较强。如果将来能将这种太阳能电池的转换率不断提升到15%以上,同时提高它的透明度到至少60%,应用前景应该非常广阔。

终极难题之一:如何对抗紫外线?

据了解,透明有机太阳能电池最早于2017年问世。当时该团队表示,如果使用的材料能适应紫外线和近红外波长,那么这些波长的光就能在电池中被转化成电能。

那时,研究人员就预测称:“高度透明的太阳能电池引领了未来新能源应用的浪潮。”并表示:“我们分析了它们的潜力,发现通过收集不可见的光,这些设备可拥有类似屋顶太阳能的供电能力,同时它还能提供额外的功能,以提高建筑、汽车和移动电子设备的工作效率。”

近年来,有机光伏电池(OPV,Organic photovoltaic cells)的重量轻、高灵活、成本低、环境友好等特点,引起了人们的广泛关注。

与现有的太阳能技术不同,有机光伏电池的主要使用场景是光伏窗户,由于它的近红外吸收程度很高,同时还能保持半透明,并能在可见光中显示出中性密度。

但是,受到阶梯型非富勒烯受体影响,不透明电池单元中的有机光伏电池功率转化率为18%,可见透明度为50%的半透明单元中的转化率为10%。

尽管有研究表明,在发光二极管(LED)的照明下,基于非富勒烯受体的太阳能电池能达到较长的运行寿命。但不幸的是,当处于大量紫外线、红外线和高工作温度中等恶劣环境中,这种电池的长期使用能力尚未得到认可。

此外,在同一个非富勒烯受体太阳能电池中,尚未同时实现高效率和长寿命。这让很多人以为,较短的工作寿命是这类电池的固有缺点。

事实上,与有机光伏电池相关的普遍误解是,这些材料在短期内很容易受到体异质结(BHJ,bulk heterojunction,即两种不同半导体混合形成的结构)中的降解和形态不稳定性的影响。

然而,上述认知有可能被推翻,此前有科学家预测称,一套热蒸发富勒烯基材料系统大约有2.7万年的使用寿命,这为有机光伏电池提供了概念验证,证明它或许具备特殊的运行寿命。

与采用具有高键解离能的C70受体的高度稳定器件相比,最有效的非富勒烯受体,包含多个具有相对较弱化学键的噻吩单元,在高紫外线和红外线的光强度下,这些化学键会解离。

因此,基于非富勒烯受体的溶液处理系统的降解机制,仍是一个待解决的难题。除了活性体异质结在材料和形态方面的变化之外,有机/电极界面的特性也会随着时间的推移,而让电池性能受到影响。

尽管科学家们已经研究出修改材料界面来抑制降解的策略,但研究人员在论文中表示,在模拟大气质量(AM)1.5 G辐射下,长期稳定的非富勒烯受体太阳能电池尚未实现。

导致这些高性能非富勒烯受体系统不稳定的原因仍不清楚,但这也激励着该团队去研究材料、薄膜形态、器件结构之间的相关性,以及它们与非富勒烯受体太阳能电池可靠性之间的关系。

研究后他们发现,溶液处理的原型单结太阳能电池,具有与受体-供体-受体(A-D-A)型非富勒烯受体太阳能电池相似的效率。他们还发现当用于光伏窗户时,半透明有机光伏电池可实现高性能和低成本。

研究中,为了让太阳能电池用于光伏窗户,研究人员将非富勒烯电池与聚合物PCE-10做为给体,并以具有“受体-供体-受体”结构的近红外吸收非富勒烯材料为受体,设计出了新电池。

尽管太阳能电池由包括含硫的非富勒烯受体构成,并且发电效率与硅相当可达到18%,但它们的使用寿命很短。

论文第一作者、密歇根大学电子工程和计算机科学专业的助理研究科学家Yongxi Li也告诉媒体,非富勒烯受体的转化效率非常高,但缺点是它里面的弱键很容易在紫外线下被分解,特别是在阳光中常见的紫外线光子。也就是说,紫外线光子会影响设备的耐久性。

因此,该团队面临的挑战是防止这些高发电效率的材料,在使用之后被紫外线迅速降解,只有这样才能将光能产生的电子、移动到电极的分子中。

给玻璃涂一层“防晒霜”

为解决这一问题,研究人员首先需要防止紫外线光子撞击电池。因此,他们给朝向太阳的玻璃面上镀了一层氧化锌(ZnO)保护罩,这等于给玻璃涂一层“防晒霜”。

其中,氧化锌层是从氧化锌前驱体溶液中,以自旋形式浇铸到基底上,然后在150℃的空气中热退 30分钟而形成。

据介绍,这层氧化锌可将太阳能产生的电子传导到电极上,从而减轻紫外线光子对电池的损伤。此外,由富勒烯材料制成的C70——即由70个碳原子组成的球形小分子层,则被用于电子和空穴的传输层界面。

与此同时,尽管靠近吸光区域的氧化锌,有助于把太阳能产生的电子带到电极上。然而,这也破坏了脆弱的活性层,所以研究人员又研发出一种名为IC-SAM缓冲层的碳基材料。

随着时间的推移,缓冲层可防止有机/无机界面发生化学变化和形态变化,当把缓冲层插入本体异质结和电荷传输层之间,接触界面的稳定性即可得以提高。每一个小电池都在充满高纯氮气的手套箱中被封装。

接下来,研究人员测试了太阳能电池的性能,在55℃和AM1.5 G辐射度的环境里,电池工作1900小时后,仅失去了6%的性能。最终测试结果表明,电池在持续工作30年后,大概率仍能保持出厂时80%的性能。

该团队认为,未来可以进一步提高电池的透光率并且实现15%的转换效率。概括来说该研究表明,基于非富勒烯受体的太阳能电池,除具有高效率和低成本的优点外,还有望满足市场对高可靠性的需求。

责任编辑:实习编辑