國內(nèi)聚合物太陽能電池取得重大突破

:11月2日，中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院、中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)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(bào)告和《2017研究前沿?zé)岫戎笖?shù)》報(bào)告。

報(bào)告顯示，中國在25個(gè)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(xiàn)。

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?zé)崮?/strong>、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(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)或金屬半導(dǎo)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(diǎn)勢能分離產(chǎn)生的電動(dòng)勢的現(xiàn)象。

當(dāng)光子入射到光敏材料時(shí)，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(dòng)，空穴向陽極移動(dòng)，如果將器件的外部用導(dǎo)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(jìn)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(xué)家共同發(fā)現(xiàn)碘摻雜可使聚乙炔的電導(dǎo)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(dǎo)電，從而開創(chuàng)了一個(gè)全新的應(yīng)用領(lǐng)域，并因此獲得2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

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(gè)具有真正意義的太陽能電池，當(dāng)時(shí)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(fù)合體系中存在快速光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，隨之共軛聚合物/C60復(fù)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(dá)到4.6%，這在當(dāng)時(shí)也是最好紀(jì)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(dá)5%。

國內(nèi)聚合物太陽能電池新進(jìn)展

中國科學(xué)院化學(xué)研究所高分子物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室侯劍輝課題組研究人員持續(xù)圍繞疊層有機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)了10%和11%的光伏效率，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

建物構(gòu)所結(jié)構(gòu)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)與合成。基于所合成的聚合物材料，該團(tuán)隊(duì)成功制備了9.14%的高轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池。