柔性太陽能電池的探索之路

柔性太陽能光伏發(fā)電與儲存一體化技術(shù)仍然面臨挑戰(zhàn)。

能源問題是人類面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問題。取之不盡、用之不竭的太陽能是清潔能源時(shí)代的寵兒。

太陽能電池是把太陽能轉(zhuǎn)化為電能的重要裝置，其光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。日前，澳大利亞昆士蘭大學(xué)教授王連洲課題組基于近些年在太陽能電池、快充型儲能電池和集成型太陽能充電電池領(lǐng)域的新探索，在《儲能材料》上發(fā)表了一篇題為《柔性太陽能充電系統(tǒng)》的綜述。

在國內(nèi)，中國科學(xué)院院士李永舫自2000年開始從事共軛高分子轉(zhuǎn)入有機(jī)聚合物太陽能電池的研究。他告訴《中國科學(xué)報(bào)》：“有機(jī)聚合物太陽能電池與傳統(tǒng)硅基太陽能電池相比，最大的特點(diǎn)是可以做成柔性和半透明，整體耗能低很多。”

尋找電池器件材料

20世紀(jì)50年代，太陽能電池開始興起并發(fā)展至今，現(xiàn)在應(yīng)用比較普遍的是硅基太陽能電池。此外，還有無機(jī)半導(dǎo)體薄膜太陽能電池、染料敏化太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、有機(jī)聚合物太陽能電池等。

不同太陽能電池結(jié)構(gòu)不一樣，比如有機(jī)聚合物太陽能電池的有機(jī)光敏帶由P型有機(jī)半導(dǎo)體(容易給出電子)構(gòu)成的給體、N型半導(dǎo)體(容易接收電子)構(gòu)成的受體組成，形成很薄的柔性活性層，在外電路接通下產(chǎn)生光電流。鈣鈦礦太陽能電池與有機(jī)聚合物太陽能電池類似，具有三明治結(jié)構(gòu)，主要的不同在于光敏層，它是有機(jī)無機(jī)雜化構(gòu)成的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。

李永舫以硅基太陽能電池為例介紹道，硅基太陽能電池在生產(chǎn)過程中耗能較高，尤其是原材料的支配，以及硅要達(dá)到99.9999%純化，這個(gè)純化過程也需要耗能。

他說：“硅基太陽能電池要使用6～7年才能把生產(chǎn)過程中的耗能收回來，而有機(jī)聚合物太陽能電池的能耗大概一年左右就可以收回，但存在穩(wěn)定性問題，導(dǎo)致使用壽命不長，反觀硅基太陽能電池使用壽命可達(dá)20年。

2017年，英國、意大利、西班牙等7個(gè)國家的15家企業(yè)研究機(jī)構(gòu)組成歐洲Powerweave研發(fā)團(tuán)隊(duì)，開展基于染料敏化纖維材料太陽能光伏電池技術(shù)和電能儲存纖維材料薄膜蓄電池技術(shù)的有機(jī)組合的原位集成技術(shù)研究。

來自中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員葛子義團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前大多數(shù)有機(jī)太陽能電池的研究結(jié)果都是基于剛性的氧化錫(ITO)玻璃基板。然而，ITO在塑料基板上存在導(dǎo)電性差和機(jī)械脆性等問題，另外ITO通常在高溫下通過真空濺射進(jìn)行加工，這使得其價(jià)格昂貴，不利于采用大面積印刷和卷對卷來制備。

為此，葛子義團(tuán)隊(duì)開發(fā)了低溫酸處理PEDOT/PSS電極替代需要高溫濺射且昂貴的ITO電極。團(tuán)隊(duì)稱，這類全溶液加工的柔性有機(jī)太陽能電池非常符合卷對卷印刷和刮涂等大面積制備工藝的技術(shù)要求，為有機(jī)太陽能電池低成本柔性化制備提供了重要的參考途徑。

提升光電轉(zhuǎn)換效率

記者獲悉，葛子義團(tuán)隊(duì)利用全溶液加工技術(shù)，采用PBDB-T和IT-M非富勒烯活性層，制備了全濕法加工非ITO的單結(jié)柔性有機(jī)太陽能電池，電池的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.12%。

有機(jī)聚合物太陽能電池的研究興起于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)換效率非常低。李永舫最開始研究有機(jī)聚合物太陽能電池時(shí)由于條件不太好，效率也一直不高。2004年前后，李永舫團(tuán)隊(duì)開始思考如何提高材料的光電轉(zhuǎn)換效率。

“太陽能轉(zhuǎn)化成電能，首先要求光伏材料對光有較寬和強(qiáng)的吸收，另外給體材料要有高的空穴遷移率，受體材料要有高的電子遷移率。”李永舫回憶道，“我們當(dāng)年選擇了富勒烯衍生物受體，其電子遷移率較高，隨后我們的關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)到給體材料。”

“我們那個(gè)時(shí)候就想到了共軛側(cè)鏈這個(gè)概念。”李永舫解釋道，“由于共軛高峰的主鏈傳輸很快，有了共軛側(cè)鏈就像搭了座橋，使電荷在這條共軛側(cè)鏈上傳輸也比較快，提高空穴遷移率，進(jìn)而提升光伏性能。”

近年來，提升材料光電轉(zhuǎn)化效率已成為太陽能電池的主流研究方向。南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授陳永勝在柔性透明電極與柔性有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域研究中發(fā)現(xiàn)，獲得高性能的柔性透明電極是研發(fā)高效柔性有機(jī)光電器件的前提，也是目前該領(lǐng)域的核心難題。“因此，如何獲得同時(shí)具有高導(dǎo)電、高透光、低表面粗糙度以及制備方法簡單、綠色的柔性透明電極，是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。”

2019年11月，陳永勝團(tuán)隊(duì)在《自然—電子學(xué)》發(fā)表文章，介紹了團(tuán)隊(duì)制備出同時(shí)具有高導(dǎo)電、高透光且低表面粗糙度的銀納米線柔性透明電極，將其用于構(gòu)筑柔性有機(jī)太陽能電池，與使用商業(yè)氧化銦錫玻璃電極的器件性能相當(dāng)，光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)16.5%，刷新了當(dāng)時(shí)文獻(xiàn)報(bào)道的柔性有機(jī)/高分子太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的最高紀(jì)錄。

多領(lǐng)域的潛在應(yīng)用

王連洲團(tuán)隊(duì)在綜述文章里指出，由于太陽光自身的強(qiáng)度不穩(wěn)定性以及間歇性，促使該領(lǐng)域的科研人員進(jìn)一步探索光伏能源生成與儲存的集成系統(tǒng)，促進(jìn)了太陽能充電儲能系統(tǒng)的發(fā)展。

南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院教授陳永華告訴《中國科學(xué)報(bào)》：“太陽能充電儲能系統(tǒng)比較適合應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)和人機(jī)互動(dòng)等領(lǐng)域，前提是需要提升光電轉(zhuǎn)換和存儲效率。”此前，陳永華團(tuán)隊(duì)尋找并設(shè)計(jì)出能夠穩(wěn)定鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)胺分子，制備出的層狀鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率得到明顯提升。

如今，太陽能充電儲能系統(tǒng)已被廣泛研究并應(yīng)用于智能電網(wǎng)、房屋能源供給、通勤電動(dòng)車輛、家用電子產(chǎn)品，以及便攜式可穿戴電子設(shè)備中。在設(shè)計(jì)新一代可穿戴便攜式能源設(shè)備尤其是太陽能充電儲能系統(tǒng)時(shí)，王連洲團(tuán)隊(duì)意識到，柔韌性及可便攜性是必須考慮的兩大關(guān)鍵指標(biāo)。

王連洲團(tuán)隊(duì)表示，相比于傳統(tǒng)的剛性器件，柔性薄膜太陽能電池因低溫制備及易實(shí)現(xiàn)的面板安裝技術(shù)而大大降低了成本。此外，將柔性的薄膜光伏系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)結(jié)合起來，不僅可以實(shí)現(xiàn)便攜可穿戴設(shè)備的無線充電，還可以極大地提高電池的工作時(shí)長，實(shí)現(xiàn)更為廣泛、精細(xì)的應(yīng)用。

中國科學(xué)院電工研究所副研究員原郭豐向《中國科學(xué)報(bào)》介紹道，柔性太陽能光伏發(fā)電與儲存一體化技術(shù)，具有明顯的表面結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)、易彎曲、重量輕、無需額外安裝費(fèi)用等優(yōu)勢，可靈活應(yīng)用于服飾、戶外裝備、建筑物、交通運(yùn)輸工具、電子設(shè)備等需要遮陽及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物體外表面，也可以作為光伏發(fā)電儲存一體化系統(tǒng)進(jìn)行使用。

原郭豐還指出：“柔性太陽能光伏發(fā)電與儲存一體化技術(shù)仍然面臨材料的制備及其穩(wěn)定性、復(fù)雜條件下材料壽命、光電轉(zhuǎn)化效率、充放電效率、安全性以及成本等諸多問題。”

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.06.028

https://doi.org/10.1038/s41928-019-0315-1

https://doi.org/10.1021/acs.macromol.8b00683