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提高有机太阳能电池电导率的突破

提高有机太阳能电池电导率的突破
来源:贸泽电子 时间:2018-10-12

缓慢移动的有机太阳能电池行业终在寻求优化能量转换方面取得了突破,并且由于在实验过程中偶然发现,这一突破来自于电子与富勒烯分子层 - 一般称为“巴基球” - 的诱导过程。 “密歇根大学的科学家在试验有机太阳能电池结构时发现了这一发现。研究人员在有机电池的能量产生层顶部添加了两层富勒烯分子,其中光子撞击太阳能电池以驱逐电子。

他们发现电子更自由地运动并且在富勒烯层中更远,并且还产生了”能量井“(技术上称为势阱),其中电子无法逃逸。结果是这些电子 - 当与富勒烯分子层同步时 - 可以传播达几厘米(与纳米相比),这使它们能够产生更大量的电流。

为什么这个突破很重要

已知有机细胞具有弱的电子传导性,因为它们在各个分子之间具有松散的键。电子经常被捕获并且多只能行进几百纳米,而不是在分子之间有有效的导管。在有机太阳能电池中,这种电子俘获是限制这些电子可以行进的距离的主要障碍。如果它们可以在没有阻抗的情况下自由穿过结构,它们可以进一步行进。对于所有太阳能电池来说都是如此,但有机网络对这些电子的穿越提出了更大的挑战。因为电子在捕获之前不会移动得足够远(它们无法移动),所以它们无法参与电路。电子参与中的这种阻碍降低了电池的导电性,反过来,随着自由流动电子的循环次数减少,转换效率降低。因此,由非金属半导体(如聚合物)组成的有机太阳能电池仅提供高达13.1%的效率。这种效率水平与硅基无机太阳能电池不能很好地竞争,这种太阳能电池的功率效率为26.6%,并且目前在太阳能电池板中得到广泛应用。

然而,有机太阳能电池的几个积极特征突出了进一步研究提高效率的必要性。例如,除了由于更简单的聚合物加工技术而降低成本的潜力之外,有机太阳能电池也更薄,更柔韧和透明。这些特性对于有效地将太阳光转化为电能至关重要 此外,如果项目旨在建设零净能源建筑(NZEB)或改造现有结构以提高能源效率,公司可以将有机太阳能电池整合到结构本身,如屋顶和墙壁,其中较重,不灵活的硅 - 基于无机太阳能电池是不实用或不可行的。这些有机太阳能电池也有益,因为它们有多种颜色和配置,

突破检查

需要找到使有机太阳能电池发挥其全部潜力的方法是显而易见的,而这一近的突破可能就是这样。根据密歇根大学的题为”半导体突破可能成为有机太阳能电池改变游戏规则“的文章,其研究人员开始研究有机电池的发电层,其中光子撞击太阳能电池以驱逐电子。”使用一种称为真空热蒸发的常用技术,它们分层在由60个碳原子组成的C 60富勒烯薄膜中。“他们发现电子在富勒烯层中自由移动,而不是被困在松散层中有机分子之间的键合。

有趣的是,已知富勒烯是优异的受体分子,因为它们具有可变的杂交状态,再杂交的能力和弯曲的拓扑结构。(然而,值得注意的是,自从发现太阳能电池中富勒烯的使用以来,出现了一种新的高效类,现在被称为非富勒烯受体(NFA)有机太阳能电池,具有与富勒烯类似的电子接受性质,但显然是非富勒烯分子。)富勒烯也是电子限制材料,它们含有潜在的(即量子)阱。这意味着一旦电子进入富勒烯分子的势阱就很难去除电子。使用夹住富勒烯层以防止任何电子离开并与孔重新结合的电子阻挡层产生额外的障碍物。

电子可以影响势阱外的方法是通过电子隧穿。然而,当你并排放置量子阱时,也就是说,富勒烯分子可以在一层中彼此相邻放置,它们可以形成所谓的”超晶格“。如果量子阱之间的距离电子波长可以小于电子隧穿波函数的范围,电子波长可以重叠并在势阱之间建立连接,这使得电子(和电流)能够流动。因此,通过在富勒烯层内捕获电子,势阱与分子之间的紧密接近使得电子能够畅通无阻地流动而没有缠结的风险。

同样,因为它们是自由移动的并且不能与能量产生层中的孔重新组合,所以电子可以进一步向上传播到几厘米,而不仅仅是纳米 - 这使得它们能够产生更大量的电流。如上所述,这是现在可能的更大电流的结果,不是因为单个电子携带更多能量,而是因为有更多电流(即电荷)载流子在电路周围流动。终,有机太阳能电池内的特定电流(和效率)的这些增加取决于在添加富勒烯之前在系统周围流动的电子数量与之后相比。

启示

密歇根大学的研究人员承认,这一发现只是一个开始,而且还有很多工作要做,以改善太阳能电池的设计,特别是研究在有机材料中制造出良好电子导体的其他方面。密歇根大学工程学教授斯蒂芬福雷斯特预计,一个主要的有机太阳能电池解决方案可能需要多达10年的时间才能出现。

然而,这种富勒烯的发现为有机材料的创造铺平了道路,这种材料可用于制造在长距离上非常有效的透明太阳能电池。例如,太阳能电池制造商可以将太阳能电池的导电电极收缩到不可见的栅格中,并且与有机太阳能电池的其他特性相结合,太阳能电池可以在任何表面上形成叠层而没有阻碍。由于与有机太阳能电池相关的聚合物加工成本较低,因此这些解决方案对于广泛的应用而言可以相当便宜。也许这一涉及有机太阳能电池的发现的突破是,更多的发现将导致更多的进步。

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