串型聚合物太阳能电池创造新纪录

    为了把太阳光转换成电能，光伏太阳能电池使用了有机导电聚合物，这样，光线的吸收和转化都显示出巨大的潜力。有机聚合物的生产可以大批量、低成本进行，制成的光伏设备价格便宜、轻巧灵活。
　　
    在过去的几年中，做了大量研究工作，以提高效率，用这些设备把太阳光转换成电力，也包括开发出一些新的材料、器件结构和加工技术。

    有一项新的研究，在线发表于本周2月12日的《自然•光子学》（Nature Photonics，）杂志上，题为《串型聚合物太阳能电池特色是光谱匹配的低带隙聚合物》（Tandem polymer solar cells featuring a spectrally matched low-bandgap polymer），这些研究人员来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）亨利萨缪里工程和应用科学学院（Henry Samueli School of Engineering and Applied Science）以及加州大学洛杉矶分校加州纳米技术研究院（CNSI：California Nanosystems Institute），他们报道说，他们已经极大地提高了聚合物太阳能电池的性能，制成的设备具有新的“串联”结构，可以结合多个电池，具有不同的吸收频段。这种设备认证的光电转换效率是8.62％，在2011年7月就创造了这一世界纪录。
　　
    进一步，研究人员集成了一种新的红外吸收高分子材料，这种材料的开发者是日本住友化学公司（Sumitomo Chemical），就集成到这种设备中，这种设备的架构确实广泛适用，光电转换效率跃升至10.6％，这又是一个新的纪录，认证机构是美国能源部下属的国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）。
　　
    因为使用的电池具有不同的吸收频段，串型太阳能电池提供了有效途径，可利用更广泛的太阳辐射。然而，效率不会自动提高，因为只是简单地合并两种电池。这些材料用于串联电池，必须互相兼容 进行高效捕光，研究人员说。
　　
    到现在为止，串联设备的性能仍然落后于单层太阳能电池，主要是因为缺乏合适的高分子材料。加州大学洛杉矶分校工程学院的研究人员已经演示了一种高效单层和串联聚合物太阳能电池，它们的特色是一种低带隙共轭（low-band-gap-conjugated）聚合物，用于串联结构。这种带隙决定了哪部分太阳光谱聚合物可以吸收。

    分子设计：光学性质和电子密度属于最高占有分子轨道（HOMO）和最低未占分子轨道（LUMO），属于PBDTT-DPP分子。a）PBDTT-DPP分子的化学结构。b）PBDTT-DPP紫外可见光吸收光谱和和P3HT薄膜，以及太阳辐射光谱。
　　
    “设想一辆双层巴士，”杨阳（Yang Yang）说，他是加州大学洛杉矶分校工程学院材料科学与工程教授，也是这项研究的主要研究者。“这种巴士可以载一定数量的乘客，但是，如果你要增加第二层，加到第一层上方，那就可以容纳更多的人，但只占用相同大小的空间。这就是我们这里所做的，就是采用串联聚合物太阳能电池。”
　　
    为了更有效地使用太阳辐射，杨阳的研究小组堆叠起一系列的多个光敏层，以互补吸收光谱，这样就制成串联聚合物太阳能电池。他们的串联结构包含一块正面电池，具有更大的或更高的带隙材料，还有一块背面电池，具有较小或较低的带隙聚合物电池，连接是采用专门设计的夹层。

    电流-电压特性和外部量子效率（EQEs），属于常规和倒置的单电池设备。来源：加州大学洛杉矶分校
　　
    对比单层设备，这种串型设备可以更有效地利用太阳能，尤其是可以最大限度地减少其他能量损失。因为使用不止一种吸光材料，每一种可以捕获不同部分的太阳光谱，所以，这种串联电池可以维持电流，增加输出电压。研究人员说，这些因素可以提高效率。
　　
    “太阳光谱非常广泛，包括可见光和不可见光，红外光和紫外光，”土井修（Shuji Doi）说，他是住友化学公司研究小组经理。“我们感到非常兴奋的是，住友公司的这种低带隙聚合物促成了这一创造新纪录的效率。”

    a）P3HT、IC60BA和PC71BM的化学结构。b）倒置串联太阳能电池设备的结构（LBG型，低带隙）。c）倒置串联设备的能量图。来源：加州大学洛杉矶分校
　　
    “我们一直在做研究，串型太阳能电池只搞了很短的时间长度，比不上单结设备，”李刚（Gang Li）说，他是加州大学洛杉矶分校工程学院的研究成员，也是《自然•光子学》上那篇论文的合著者。“我们取得这样的成功，提高了效率，只用了短短的一段时间，这真正体现了叠层太阳能电池技术的巨大潜力。”
　　
    “一切都做好了，因为采用了一种成本非常低的湿法涂层工艺（wet-coating process），”杨阳说。“由于这个工艺可以兼容当前的制造技术，我预计，这一技术会在商业上具有可行性，就在不久的将来。”
　　
    这项研究开辟了一个新的方向，高分子化学家可以追求设计新材料，用于串联聚合物太阳能电池。此外，它标志着重要的一步，是迈向商用聚合物太阳能电池。杨阳说，他的小组希望达到15％的效率，就在未来几年。
　　
    这项研究资金来自美国国家科学基金会，美国空军部队科研办公室，海军研究办公室和美国能源部，美国国家再生能源实验室。