有機太陽能電池架構(gòu)將迎來性能突破

來自比利時研究中心Imec、Plextronics和Solvay的科學家創(chuàng)造了基于有機聚合物的單結(jié)太陽能電池架構(gòu)，轉(zhuǎn)化效率達到6.9%。最終的器件集成在一個模塊里，是Imec大規(guī)模倒裝器件架構(gòu)的研究成果，其中Plextronics提供有機聚合物，材料來自Solvay。最終的模塊采用了完整的架構(gòu)，效率達到5%，采光面積為25平方厘米（圖1）。

有機VS硅太陽能電池

雖然有機太陽能電池已經(jīng)存在了一段時間，但在硅光伏器件占據(jù)主導的場合下，它仍然是新鮮事物。很多業(yè)內(nèi)人士認為隨著性能方面的問題不斷克服，有機電池將會是新的低成本替代方案且需求強烈。

有機光伏電池（OPVC）由感應(yīng)有機聚合物構(gòu)成，光吸收系數(shù)非常高。這意味著少量的材料就能夠吸收大量的光。這一點，以及OPVC顯著降低成本的優(yōu)勢讓該材料成為極其可行同時具有吸引力的方案，至少看上去是這樣。OPVC自身的缺點在于效率和穩(wěn)定性較低、壽命短以及有限的觸覺強度。

OPVC有兩種基本類型：單層和多層。最簡單的是單層OPVC，將聚合物包含在兩層導電金屬層中。多層電池將兩層不同的聚合物層放置在導電材料層中。

單層器件獨特的缺點包括的量子效率和轉(zhuǎn)換效率較低，分別在1%至0.1%之間。另外一個問題在于單層器件的導體間缺少電場力。

雙層OPVC克服了這些問題，但又有其自身的一些問題，例如聚合物的厚度就是主要問題。為了將電荷和載流子分開，聚合物的厚度必須和電荷的長度相當，在10nm左右。問題在于聚合物至少需要100nm才能有效的吸收光線。

倒裝架構(gòu)才是可行方案

總的來說，有機光伏的工作壽命問題沒有得到重視。為了解決這個問題，以延長有機光伏電池壽命的倒裝架構(gòu)開發(fā)出來了。

Imec的倒裝體異質(zhì)結(jié)（inverted bulk heterojunction）架構(gòu)可將單層和雙層拓撲的電池性能提升0.5%。架構(gòu)采用了低帶隙p型聚合物，含有來自Plextronix的富勒烯。

在活躍層中采用了獨特的緩沖以改善并提升光管理，讓有機物和架構(gòu)結(jié)合起來，穩(wěn)定可靠地達到6.9%的轉(zhuǎn)化效率。這是迄今為止有機物材料最好的表現(xiàn)，也是倒裝架構(gòu)最好的表現(xiàn)。

此外，倒裝器件架構(gòu)還為其他有機物材料帶來了類似的性能提升。研究人員稱模塊的效率水平保證了其適合更大的規(guī)模擴充。

前景看好

基于之前的開發(fā)成果，依靠Imec創(chuàng)新的架構(gòu)，有機太陽能電池的未來看來非常光明（圖2）。

Imec的有機光伏團隊負責人Tom Aernouts表示，“隨著對材料和架構(gòu)的進一步優(yōu)化，例如引入包括不同聚合物層，每層捕獲不同光譜的多結(jié)架構(gòu)，我們預(yù)計有機太陽能電池的壽命將達到10年，效率在2-3年內(nèi)提升至10%?！?/P>

Solvay的可持續(xù)能源平臺經(jīng)歷Patrick Francoisse表示，“我們相信，當我們能夠提升效率和壽命，同時降低成本的情況下，有機光伏將在未來扮演更重要的角色?！?/P>

這很容易讓人將有機光伏現(xiàn)在的狀況和LED及固態(tài)照明領(lǐng)域的狀況做比較。LED廠商受制于技術(shù)，需要降低價格，而有機太陽能電池的研究人員也需要控制成本，同時改進技術(shù)。