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来自比利时研究中心Imec、Plextronics和Solvay的科学家创造了基于有机聚合物的单结太阳能光伏电池架构,转化效率达到6.9%。最终的器件集成在一个模块里,是Imec大规模倒装器件架构的研究成果,其中Plextronics提供有机聚合物,材料来自Solvay。最终的模块采用了完整的架构,效率达到5%,采光面积为25平方厘米。
有机VS硅太阳能光伏电池
虽然有机太阳能光伏电池已经存在了一段时间,但在硅光伏器件占据主导的场合下,它仍然是新鲜事物。很多业内人士认为随着性能方面的问题不断克服,有机光伏电池将会是新的低成本替代方案且需求强烈。
有机太阳能光伏电池(OPVC)由感应有机聚合物构成,光吸收系数非常高。这意味着少量的材料就能够吸收大量的光。这一点,以及OPVC显著降低成本的优势让该材料成为极其可行同时具有吸引力的方案,至少看上去是这样。OPVC自身的缺点在于效率和稳定性较低、寿命短以及有限的触觉强度。
OPVC有两种基本类型:单层和多层。最简单的是单层OPVC,将聚合物包含在两层导电金属层中。多层电池将两层不同的聚合物层放置在导电材料层中。
单层器件独特的缺点包括的量子效率和转换效率较低,分别在1%至0.1%之间。另外一个问题在于单层器件的导体间缺少电场力。
双层OPVC克服了这些问题,但又有其自身的一些问题,例如聚合物的厚度就是主要问题。为了将电荷和载流子分开,聚合物的厚度必须和电荷的长度相当,在10nm左右。问题在于聚合物至少需要100nm才能有效的吸收光线。
倒装架构才是可行方案
总的来说,有机太阳能光伏的工作寿命问题没有得到重视。为了解决这个问题,以延长有机太阳能光伏电池寿命的倒装架构开发出来了。
Imec的倒装体异质结(invertedbulkheterojunction)架构可将单层和双层拓扑的电池性能提升0.5%。架构采用了低带隙p型聚合物,含有来自Plextronix的富勒烯。
在活跃层中采用了独特的缓冲以改善并提升光管理,让有机物和架构结合起来,稳定可靠地达到6.9%的转化效率。这是迄今为止有机物材料最好的表现,也是倒装架构最好的表现。
此外,倒装器件架构还为其他有机物材料带来了类似的性能提升。研究人员称模块的效率水平保证了其适合更大的规模扩充。
前景看好
基于之前的开发成果,依靠Imec创新的架构,有机太阳能电池的未来非常光明。
Imec的有机光伏团队负责人TomAernouts表示,“随着对材料和架构的进一步优化,例如引入包括不同聚合物层,每层捕获不同光谱的多结架构,我们预计有机太阳能电池的寿命将达到10年,效率在2-3年内提升至10%。”
Solvay的可持续能源平台经历PatrickFrancoisse表示,“我们相信,当我们能够提升效率和寿命,同时降低成本的情况下,有机光伏将在未来扮演更重要的角色。”
这很容易让人将有机光伏现在的状况和LED及固态照明领域的状况做比较。LED厂商受制于技术,需要降低价格,而有机太阳能电池的研究人员也需要控制成本,同时改进技术。
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