新研究：有機(jī)太陽能電池進(jìn)化出“新物種”

　　因有機(jī)材料具有柔性好、重量輕、材料來源廣泛、成本低等優(yōu)勢，有機(jī)太陽能電池對大規(guī)模利用太陽能、提供廉價(jià)電能具有重要意義。

　　在人類利用太陽能的各項(xiàng)技術(shù)中，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的太陽能電池是最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。其中，有機(jī)太陽能電池是新興起的一個(gè)研究方向。因有機(jī)材料具有柔性好、重量輕、材料來源廣泛、成本低等優(yōu)勢，有機(jī)太陽能電池對大規(guī)模利用太陽能、提供廉價(jià)電能具有重要意義。

　　近日，蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部李永舫院士團(tuán)隊(duì)教授李耀文等人在《中國科學(xué)—化學(xué)》（ScienceChinaChemistry）上發(fā)表文章，他們利用銀納米線摻雜透明導(dǎo)電聚合物，并與納米壓印的網(wǎng)格銀柔性基底復(fù)合，制備出了低面電阻、可見光高透過率的新型柔性透明復(fù)合電極，基于此電極的柔性有機(jī)太陽能電池的效率超過了12%。

　　“塑料”也能導(dǎo)電

　　目前，商品化的太陽能電池主要是以晶硅等無機(jī)半導(dǎo)體材料為活性層制備。但是，這種太陽能電池生產(chǎn)存在工藝復(fù)雜、成本高、原材料生產(chǎn)過程能耗大和污染重等弊端，同時(shí)，這類太陽能電池由于無機(jī)半導(dǎo)體本身的剛性結(jié)構(gòu)，難以制備柔性器件。因此，制備成本低、效率高、柔性強(qiáng)、環(huán)境友好的新型有機(jī)太陽能電池，正成為各國科學(xué)家的目標(biāo)。

　　在人們的印象中，塑料是不導(dǎo)電的。但是，2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者打破了這一常識。20世紀(jì)70年代，美國科學(xué)家AlanJ.Heeger、AlanG.MacDiarmid和日本科學(xué)家HidekiShirakawa發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過氧化或還原摻雜，一類共軛聚合物能夠成為導(dǎo)體或半導(dǎo)體。

　　塑料就是一種聚合物。聚合物要能夠?qū)щ?，其主鏈碳原子之間必須具有交替地以單鍵和雙鍵結(jié)合的共軛結(jié)構(gòu)，同時(shí)還必須經(jīng)過摻雜處理：通過氧化或還原反應(yīng)，其主鏈?zhǔn)セ颢@得電子，從而具有導(dǎo)電性。AlanJ.Heeger等人通過研究發(fā)現(xiàn)，對共軛聚合物聚乙炔進(jìn)行碘摻雜，聚乙炔能夠表現(xiàn)出像金屬一樣的導(dǎo)電性。

　　“AlanJ.Heeger等人開拓了導(dǎo)電聚合物領(lǐng)域。透明導(dǎo)電聚合物的電極材料是導(dǎo)電聚合物的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，有機(jī)太陽能電池就是利用共軛聚合物或共軛有機(jī)分子這種有機(jī)半導(dǎo)體材料做成的?！崩钜母嬖V《中國科學(xué)報(bào)》。

　　與以硅為代表的無機(jī)半導(dǎo)體材料相比，有機(jī)半導(dǎo)體具有成本低、材料多樣性、功能可調(diào)、可柔性印刷制備等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，有機(jī)太陽能電池的研究熱度不斷攀升。特別是近年來，有機(jī)太陽能電池的研究獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)化效率不斷刷新。有機(jī)太陽能電池已經(jīng)到了商業(yè)化的“黎明前夕”。

　　光電轉(zhuǎn)換效率突破12%

　　有機(jī)太陽能電池活性層材料具有優(yōu)良的可彎曲性，這使其在柔性太陽能電池領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。

　　李耀文表示，高性能柔性透明電極、高效和低成本的有機(jī)半導(dǎo)體光伏材料、大面積柔性有機(jī)太陽能電池的制備技術(shù)以及器件封裝和穩(wěn)定性研究，是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)柔性有機(jī)太陽能電池商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

　　李耀文告訴記者，商業(yè)化的銦錫氧化物柔性透明電極由于易脆、耐彎折性能差、面電阻高、透光率低等缺點(diǎn)，限制了其在柔性有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用。因此，發(fā)展具有優(yōu)良機(jī)械彎曲性、低面電阻、高透光率的新型柔性透明電極顯得尤為重要。

　　據(jù)介紹，基于銀納米線的導(dǎo)電薄膜不僅具有優(yōu)良的機(jī)械性能，而且其光學(xué)和電學(xué)性能優(yōu)異，成為極具應(yīng)用前景的柔性透明電極材料。但是，粗糙度大、附著力弱，形貌不穩(wěn)定等缺點(diǎn)依然限制了它在高性能柔性有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用。

　　對此，李耀文等人采用醇溶性高導(dǎo)電性、高規(guī)整度的銀納米線，對透明導(dǎo)電聚合物摻雜，通過調(diào)控?fù)诫s比例有效調(diào)控導(dǎo)電聚合物薄膜的透過率和導(dǎo)電性，并進(jìn)一步與納米壓印的網(wǎng)格銀柔性基底復(fù)合，構(gòu)筑了新型復(fù)合柔性透明電極。

　　他們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，銀納米線的摻入為導(dǎo)電聚合物薄膜提供了額外的電荷傳輸通道，可獲得較高的電導(dǎo)率。測試結(jié)果表明，此新型復(fù)合柔性透明電極在可見光范圍內(nèi)的平均透過率得到了顯著提升，最高透過率達(dá)到了86%。同時(shí)，面電阻降低，導(dǎo)電薄膜與基底之間也表現(xiàn)出了良好的貼合性和熱穩(wěn)定性。

　　“這些特點(diǎn)有助于下一步制備高性能的柔性有機(jī)太陽能電池?！崩钜恼f。

　　接下來，研究人員發(fā)現(xiàn)，基于這種新型復(fù)合電極制備的柔性有機(jī)太陽能電池效率達(dá)到了12.07%，表現(xiàn)出了與基于玻璃基底制備的有機(jī)太陽能電池相當(dāng)?shù)男剩?2.94%）。這也是目前報(bào)道的非銦錫氧化物柔性有機(jī)太陽能電池的最高效率。

　　產(chǎn)業(yè)化指日可待

　　“十三五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃以及國家發(fā)展改革委能源局新近發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030）》明確指出，將重點(diǎn)發(fā)展基于有機(jī)、鈣鈦礦半導(dǎo)體材料的太陽能電池。

　　李耀文介紹說，盡管有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率與硅基、鈣鈦礦太陽能電池的效率仍有較大差距，然而，它在柔性和半透明器件方面獨(dú)特的優(yōu)勢為其產(chǎn)業(yè)化提供了廣闊的空間，有助于實(shí)現(xiàn)與硅基太陽能電池的互補(bǔ)、填補(bǔ)光伏市場在柔性和半透明器件方面的空缺。

　　首先，有機(jī)太陽能電池光活性層所采用的有機(jī)/聚合物材料，使其在制備柔性有機(jī)太陽能電池方面具有先天的優(yōu)勢。

　　此外，有機(jī)太陽能電池的光活性層通常不僅具有較薄的厚度（100~300nm），而且其光學(xué)帶隙通過對活性材料的化學(xué)剪裁可實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控，從而拓展了有機(jī)太陽能電池在半透明和彩色電池領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　“有機(jī)太陽能電池具有獨(dú)特的輕質(zhì)、半透明、多彩化、可彎曲以及可卷對卷大規(guī)模生產(chǎn)的特性，在未來的可穿戴能源設(shè)備、建筑光伏一體化、光伏帳篷和光伏大棚等領(lǐng)域的應(yīng)用上將會大放異彩?！崩钜恼f，“因此，柔性、半透明有機(jī)太陽能電池的研究將成為一個(gè)熱點(diǎn)。目前我國有很多課題組已從事相關(guān)內(nèi)容的研究。在未來的幾年內(nèi)，我國在該領(lǐng)域應(yīng)該會有更大的突破、會有很多科研成果出現(xiàn)?！?/p>

　　據(jù)了解，中科院院士、中科院化學(xué)研究所研究員、蘇州大學(xué)教授李永舫已著手相關(guān)產(chǎn)業(yè)化布局，在江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有機(jī)光電技術(shù)研究所成立了光伏中心。光伏中心已配備相關(guān)研發(fā)人員和設(shè)備，主要開展有機(jī)太陽能電池光伏材料的放大量合成，以及柔性有機(jī)太陽能電池的大面積制備和穩(wěn)定性研究。

　　談到柔性有機(jī)太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化，李永舫對《中國科學(xué)報(bào)》說：“柔性有機(jī)太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化需要一步一步向前推進(jìn)。”他表示，首先是高效和低成本有機(jī)光伏材料的開發(fā)和放大合成，以及高性能柔性透明電極的開發(fā)和大面積制備；其次需要開展柔性器件的大面積制備工藝、器件穩(wěn)定性以及封裝材料和工藝的研究；最后需要與公司合作，制備柔性有機(jī)太陽能電池組件，并建立柔性有機(jī)太陽能電池生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)柔性有機(jī)太陽能電池的大規(guī)模應(yīng)用。

　　“有機(jī)太陽能電池是中國人引領(lǐng)的一個(gè)研究領(lǐng)域，我們一定要在中國率先實(shí)現(xiàn)柔性有機(jī)太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化?！崩钣吏痴f。