有機太陽能電池能量轉換效率取得重大突破

大家好，小科來為大家解答以上問題。有機太陽能電池能量轉換效率取得重大突破這個很多人還不知道，現(xiàn)在讓我們一起來看看吧！

1、由于實驗中的一個意外發(fā)現(xiàn)，發(fā)展緩慢的有機太陽能電池產業(yè)終于迎來轉機，其能量轉換效率取得重大突破。

2、這個突破來自于電子在富勒烯層(俗稱“巴基球”)中運動的過程。

3、密歇根大學的科學家在對有機太陽能電池架構進行實驗時發(fā)現(xiàn)了這一點。

4、當時，研究人員在有機電池的發(fā)電層中加入了兩層富勒烯分子，光子在發(fā)電層中碰撞驅動電子傳輸。

5、他們發(fā)現(xiàn)電子在富勒烯層中運動更自由，行進更遠，產生了“能量阱”(技術上稱為勢阱)，使電子無法逃逸。

6、這些電子在富勒烯分子層中傳輸時，傳輸距離可以達到幾厘米(目前的有機電池最多只能移動幾百納米)，因此可以產生更大的電流。

7、為什么這個突破如此重要？

8、眾所周知，有機電池的導電性是很弱的，因為有機材料的分子之間有很多松散的鍵。

9、分子之間沒有高效的傳導線，所以電子經常被困住，最多只能移動幾百納米。

10、對于有機太陽能電池來說，電子的捕獲是限制電子移動距離的主要障礙。

11、如果電子能不受阻礙地自由移動，它們就能走得更遠。

12、所有太陽能電池都是如此，但有機電池使電子的運動更具挑戰(zhàn)性。

13、因為電子在被捕獲之前沒有移動足夠遠，所以它們不能進入電路。

14、這種障礙降低了電池的導電性，隨著自由流動的電子越來越少，能量轉換效率也隨之降低。

15、因此，由聚合物等非金屬半導體組成的有機太陽能電池的能量轉換效率最高只有13.1%。

16、這個效率水平和硅基無機太陽能電池根本沒法比。后者的能量轉換效率為26.6%，目前已廣泛應用于太陽能電池板。

17、然而，有機太陽能電池的一些優(yōu)點使其值得進一步研究。

18、例如，除了通過使用更簡單的聚合物加工技術降低成本的潛力之外，有機太陽能電池更薄、更柔韌、更透明。

19、這些特性對于有效地將太陽光轉化為電能非常重要。

20、此外，當建造凈零能耗建筑(NZEB)或改造現(xiàn)有結構以提高能源效率時，公司可以將有機太陽能電池集成到結構本身，如屋頂和墻壁。

21、在這些地方，笨重且不靈活的硅基無機太陽能電池既不實用也不可行。

22、此外，這些有機太陽能電池還具有其他優(yōu)點，例如它們具有多種顏色和配置，并且具有更好的美學效果。

23、電導率的突破

24、顯然，我們需要找到一些方法來充分發(fā)揮有機太陽能電池的潛力，而電導率的突破是關鍵點。

25、根據(jù)密歇根大學題為《Semiconductor Breakthrough May Be a Game-Changer for Organic Solar Cells》的文章，研究人員在有機太陽能電池的發(fā)電層上添加了富勒烯分子層，光子撞擊發(fā)電層驅動電子傳輸。

26、他們使用一種稱為“真空熱蒸發(fā)”的普通技術來分層C60富勒烯，每層由60個碳原子組成。

27、他們發(fā)現(xiàn)電子可以在富勒烯層中自由移動，而不是被困在有機分子之間的松散鍵中。

28、有趣的是，富勒烯因其可變的雜化狀態(tài)、再雜化能力和彎曲的拓撲結構而被認為是一種優(yōu)秀的受體分子。

29、(值得注意的是，自從富勒烯在太陽能電池中的應用被發(fā)現(xiàn)后，出現(xiàn)了一種新型的高效太陽能電池，現(xiàn)在被稱為非富勒烯受體(NFA)有機太陽能電池。

30、它具有與富勒烯相似的電子接受特性，但顯然是一種非富勒烯分子。

31、富勒烯也是電子受限材料，其包含勢阱(即量子阱)。

32、電子一旦落入富勒烯分子的勢阱中，就很難出來。

33、通過使用嵌入在富勒烯層中的電子阻擋層，可以防止任何電子離開并與空穴復合以形成額外的障礙。

34、電子影響勢阱外區(qū)域的唯一方式是通過電子隧穿。

35、如果量子阱并排放置，即富勒烯分子可以在一層中彼此相鄰，那么就可以形成所謂的“超晶格”。

36、如果量子阱之間的距離小于電子隧穿波函數(shù)的范圍，那么電子波長就可以重疊并連接勢阱，這樣電子(和電流)就可以流動。

37、因此，通過在富勒烯層中捕獲電子，分子之間非常接近的勢阱允許電子不受阻礙地流動，而沒有被捕獲的風險。

38、同樣，由于電子可以自由移動，無法與發(fā)電層中的空穴復合，因此電子可以移動得更遠，達到幾厘米，而不僅僅是幾納米，從而產生更多的電流。

39、因此，如上所述，現(xiàn)在可以

40、最終，有機太陽能電池中具體的電流(和效率)增加情況取決于添加富勒烯之前與添加富勒烯之后相比，系統(tǒng)中流動的電子數(shù)量。

對行業(yè)的影響

密歇根大學的研究人員承認，這個發(fā)現(xiàn)只是一個開始，還要做更多的工作來改善有機太陽能電池的設計，特別是要研究還有哪些有機材料能成為優(yōu)秀的電子導體。

43、密歇根大學的工程教授Stephen Forrest預計，開發(fā)一個主流的有機太陽能電池解決方案可能需要長達10年的時間。

不過，富勒烯的發(fā)現(xiàn)總算為有機材料用于制造高效、透明的太陽能電池鋪平了道路。

45、例如，太陽能電池制造商可以將太陽能電池的導電電極縮小成不可見的網格，并結合有機太陽能電池的其他特性，將有機材料層壓在任何物體表面上。

46、由于有機太陽能電池所用的聚合物加工成本較低，這些解決方案可以在各種應用中實現(xiàn)合理的價格。

47、不過也許這個發(fā)現(xiàn)所帶來的最大突破是，更多的發(fā)現(xiàn)會催生更多的進步。

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原文標題：有機太陽能電池導電性迎來新突破

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