取得重大突破：一文看懂聚合物太陽能電池

2017-11-06 10:16:19 新資訊　點擊量：評論 (0)

11月2日，中國科學院科技戰(zhàn)略咨詢研究院、中國科學院文獻情報中心與科睿唯安公司聯(lián)合向全球發(fā)布了《2017研究前沿》報告和《2017研究前沿熱度指數(shù)》報告。報告顯示，中國在25個研究前沿領(lǐng)域表現(xiàn)卓越，約占18%。其

11月2日，中國科學院科技戰(zhàn)略咨詢研究院、中國科學院文獻情報中心與科睿唯安公司聯(lián)合向全球發(fā)布了《2017研究前沿》報告和《2017研究前沿熱度指數(shù)》報告。

報告顯示，中國在25個研究前沿領(lǐng)域表現(xiàn)卓越，約占18%。其中，中國在植物基因組編輯技術(shù)、華北克拉通、聚合物太陽能電池、粲物理等前沿主題做出了突出貢獻。

現(xiàn)如今，能源問題已經(jīng)成為全球關(guān)注的共同話題，各國也在不斷嘗試和發(fā)展新能源及再生能源，如太陽能、地熱能、潮汐能、核聚變能等。其中，太陽能作為新能源的一種，由于技術(shù)相對成熟，廣受各國青睞，而中國已經(jīng)成為全球最主要的太陽能市場。因此，今天我們就來說說此次入選《2017研究前沿》的聚合物太陽能電池。

聚合物太陽能電池原理

聚合物太陽能電池基本原理是利用光入射到半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)或金屬半導體界面附近產(chǎn)生的光生伏打效應(yīng)。光生伏打效應(yīng)是光激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對-激子被各種因素引起的景點勢能分離產(chǎn)生的電動勢的現(xiàn)象。

當光子入射到光敏材料時，光敏材料被激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴對，在太陽能電池內(nèi)建電場的作用下分離和傳輸，然后被各自的電極收集。在電荷傳輸?shù)倪^程中，電子向陰極移動，空穴向陽極移動，如果將器件的外部用導線連接起來，這樣在器件的內(nèi)部和外部就形成了電流。

作為關(guān)鍵器件，聚合物太陽能電池性能參數(shù)直接決定了其應(yīng)用領(lǐng)域。為此，各國研究人員在其性能改進方面投入了大量研究，包括改善光吸收、提高遷移率、新型材料及理論探索等。

聚合物太陽能電池發(fā)展歷程

1977年，艾倫·黑格等三位科學家共同發(fā)現(xiàn)碘摻雜可使聚乙炔的電導率提高上千萬倍，即在一定的條件下，聚合物可以像金屬一樣導電，從而開創(chuàng)了一個全新的應(yīng)用領(lǐng)域，并因此獲得2000年諾貝爾化學獎。

1982年，溫伯格等人通過研究聚乙烯的光伏性質(zhì)，制造出了第一個具有真正意義的太陽能電池，當時轉(zhuǎn)換效率僅為(10-3%)。隨后，哥勒尼斯等人制作了聚噻吩太陽能電池，但都沒有突破轉(zhuǎn)化率問題。

1992年，薩利奇夫奇等人發(fā)現(xiàn)2-甲氧基-5-(2-乙基-乙氧基)-1,4-苯乙炔(MEH-PPV)與C60復合體系中存在快速光誘導電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，隨之共軛聚合物/C60復合體系在太陽電池中的應(yīng)用得到迅速發(fā)展。

2004年，Alam等人利用MEH-PPV為電子供體，BBL為電子受體制作的純聚合物雙層太陽能電池器件的能量轉(zhuǎn)換效率達到4.6%，這在當時也是最好紀錄。

2005年，Heeger課題組采用新穎的器件制作方法，制作出的聚(3-已基噻吩)P3HT與PCBM(富樂烯衍生物)摻混的本體異質(zhì)結(jié)電池薄膜經(jīng)150℃退火后，所得電池器件轉(zhuǎn)換效率高達5%。

國內(nèi)聚合物太陽能電池新進展

中國科學院化學研究所高分子物理與化學實驗室侯劍輝課題組研究人員持續(xù)圍繞疊層有機光伏電池關(guān)鍵材料和器件制備開展了大量研究。研究人員圍繞基于聚合物-富勒烯的有機光伏電池，系統(tǒng)優(yōu)化了寬帶隙和窄帶隙的光伏活性層材料以及相應(yīng)的疊層器件制備方法，在2015年和2016年分別實現(xiàn)了10%和11%的光伏效率，達到國際領(lǐng)先水平。

建物構(gòu)所結(jié)構(gòu)化學國家重點實驗室鄭慶東課題組首次將不對稱茚并噻吩作為構(gòu)筑單元用于系列新型聚合物太陽能電池材料的設(shè)計與合成?；谒铣傻木酆衔锊牧希搱F隊成功制備了9.14%的高轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池。