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微米级“耙子”可让太阳能电池转换率倍增
分类:行业新闻  1739次浏览  发表时间:2015-9-8 09:24:43

转自:自然通讯

        混合供体(donor)聚合物与受体(acceptor)的许多聚合物组合可用于形成一个完整的塑料太阳能电池。遗憾的是,有些最佳组合往往因为聚集在一起而减少了电子转移时的表面积 ——从供体(转移电子)到受体(让太阳能电池中的电子通过,传送至到太阳供电的装置)。然而,透过一个微米级的“耙子”即可排解这些聚集,并形成纳米级晶体,使得表面积倍增,从而提高2倍的输出功率。美国斯坦福大学(Stanford University)材料与能源科学研究所(SIMES)将这一过程称为“流体强化晶体工程”(FLUENCE)。“我们分别使用了供体和受体聚合物材料——即全聚合物太阳能电池,在涂布期间利用微米级耙子爬梳,可使所用的模型系统效率倍增,”SIMES成员之一的华裔教授鲍哲南表示。

        现在一般都会为全塑料太阳能电池选择使用聚合物,因为聚合物较不会聚集,即使产生的激子也很少会是易于聚集的聚合物。然而,利用这种FLUENCE技术,可 让太阳能电池利用聚合物实现聚光功能——每个光单位所产生的激子(电子/电洞对),从而优化转换效率,使其输出功率较传统的涂布方式增加一倍。

柱状竖立的1微米间距“流体强化晶体工程”或FLUENCE“耙子”的 扫描电子显微镜(SEM)图

        “这种微米级的耙子可加以调谐而与现存的聚合物配方共同作业。然而,根据所使用的聚合物系统,耙子的效应也有所差异,但在聚合物倾向于聚集成一大块的情况下最有效。它可利用显微级的耙子使其分散成小块,实现更有效率的激子解离,”鲍哲南说。

        目前,这些经概念验证的耙子实验正以十分缓慢的速度进行——每小时约3.5-14.2英吋,与塑料太阳能电池实现最经济生产需要每小时50英哩的高速卷对卷 (R2R)工艺相距甚远。然而,研究员们并不担心提高速度的挑战,他们表示,这只需要优化参数即可——这包括从选择不同溶剂类型到改变工艺温度,以便使 FLUENCE工艺提升到更高速的制造。“我认为,为了落实这种微米级耙子的优点,选择合适的溶剂和温度十分重要,”鲍哲南表示。据鲍哲南解释,过去一般采用显微级直刀来瓦解这些聚集块,但微型耙子的效率更高18%,加上它还能制造商进一步提高全塑料太阳能电池的生产效率。事实上,研究人员们十分看好这种FLUENCE工艺,可让塑料太阳能电池只需要一小部份的制造成本,就能展现超越硅晶太阳能电池的效率。

流体强化晶体工程(FLUENCE) 解决方案

        美国国家加速器实验室(SLAC)的斯坦福同步辐射光源(SSRL)部门负责人Mike Toney利用X射线衍射测量FLUENCE可分开供体与受体纳米级晶体的程度,也为这项研究带来贡献。此外,美国罗伦斯柏克莱国家实验室(LBNL)的 先进光源(ALS)则用于表微这项技术。米级粑子以1.2微米间距封装,高度约1.5微米。斯坦福大学研究研究员Yan Zhou为供体与受体晶体之间表征优化距离——使其接近到足以实现快速的电子转移,但又不至于太接近让受体可在采集到电力后才传回电子。其他有助于实现这项计划的还包括前SLAC科学家Stefan Mannsfeld(现为德国Dresden工业大学教授)、前SIMES博士后研究员Ying Diao(现任伊利诺大学教授),以及来自ALS、北京大学与韩国成均馆大学的科学家群。美国能源部(DoE)的BRIDGE研究计划、SLAC的指导研究和开发计划实验室与国家加速器实验室、SIMES以及斯坦福大学均为这项提供赞助资金。