科學網—有機太陽能電池進化出「新物種」

 

新型複合柔性透明電極結構示意圖

因有機材料具有柔性好、重量輕、材料來源廣泛、成本低等優勢，有機太陽能電池對大規模利用太陽能、提供廉價電能具有重要意義。

■本報見習記者 辛雨

在人類利用太陽能的各項技術中，將太陽能直接轉換成電能的太陽能電池是最具發展前景的技術之一。其中，有機太陽能電池是新興起的一個研究方向。因有機材料具有柔性好、重量輕、材料來源廣泛、成本低等優勢，有機太陽能電池對大規模利用太陽能、提供廉價電能具有重要意義。

近日，蘇州大學材料與化學化工學部李永舫院士團隊教授李耀文等人在《中國科學—化學》（Science China Chemistry）上發表文章，他們利用銀納米線摻雜透明導電聚合物，並與納米壓印的網格銀柔性基底複合，製備出了低面電阻、可見光高透過率的新型柔性透明複合電極，基於此電極的柔性有機太陽能電池的效率超過了12%。

「塑料」也能導電

目前，商品化的太陽能電池主要是以晶矽等無機半導體材料為活性層製備。但是，這種太陽能電池生產存在工藝複雜、成本高、原材料生產過程能耗大和汙染重等弊端，同時，這類太陽能電池由於無機半導體本身的剛性結構，難以製備柔性器件。因此，製備成本低、效率高、柔性強、環境友好的新型有機太陽能電池，正成為各國科學家的目標。

在人們的印象中，塑料是不導電的。但是，2000年諾貝爾化學獎獲得者打破了這一常識。20世紀70年代，美國科學家Alan J. Heeger、Alan G. MacDiarmid和日本科學家Hideki Shirakawa發現，經過氧化或還原摻雜，一類共軛聚合物能夠成為導體或半導體。

塑料就是一種聚合物。聚合物要能夠導電，其主鏈碳原子之間必須具有交替地以單鍵和雙鍵結合的共軛結構，同時還必須經過摻雜處理：通過氧化或還原反應，其主鏈失去或獲得電子，從而具有導電性。Alan J. Heeger等人通過研究發現，對共軛聚合物聚乙炔進行碘摻雜，聚乙炔能夠表現出像金屬一樣的導電性。

「Alan J. Heeger等人開拓了導電聚合物領域。透明導電聚合物的電極材料是導電聚合物的一個重要應用領域，有機太陽能電池就是利用共軛聚合物或共軛有機分子這種有機半導體材料做成的。」李耀文告訴《中國科學報》。

與以矽為代表的無機半導體材料相比，有機半導體具有成本低、材料多樣性、功能可調、可柔性印刷製備等諸多優點。因此，有機太陽能電池的研究熱度不斷攀升。特別是近年來，有機太陽能電池的研究獲得了突飛猛進的發展，其光電轉化效率不斷刷新。有機太陽能電池已經到了商業化的「黎明前夕」。

光電轉換效率突破12%

有機太陽能電池活性層材料具有優良的可彎曲性，這使其在柔性太陽能電池領域展現出了巨大的應用潛力。

李耀文表示，高性能柔性透明電極、高效和低成本的有機半導體光伏材料、大面積柔性有機太陽能電池的製備技術以及器件封裝和穩定性研究，是當前實現柔性有機太陽能電池商業化應用的關鍵。

李耀文告訴記者，商業化的銦錫氧化物柔性透明電極由於易脆、耐彎折性能差、面電阻高、透光率低等缺點，限制了其在柔性有機太陽能電池中的應用。因此，發展具有優良機械彎曲性、低面電阻、高透光率的新型柔性透明電極顯得尤為重要。

據介紹，基於銀納米線的導電薄膜不僅具有優良的機械性能，而且其光學和電學性能優異，成為極具應用前景的柔性透明電極材料。但是，粗糙度大、附著力弱，形貌不穩定等缺點依然限制了它在高性能柔性有機太陽能電池中的應用。

對此，李耀文等人採用醇溶性高導電性、高規整度的銀納米線，對透明導電聚合物摻雜，通過調控摻雜比例有效調控導電聚合物薄膜的透過率和導電性，並進一步與納米壓印的網格銀柔性基底複合，構築了新型複合柔性透明電極。

他們進一步研究發現，銀納米線的摻入為導電聚合物薄膜提供了額外的電荷傳輸通道，可獲得較高的電導率。測試結果表明，此新型複合柔性透明電極在可見光範圍內的平均透過率得到了顯著提升，最高透過率達到了86%。同時，面電阻降低，導電薄膜與基底之間也表現出了良好的貼合性和熱穩定性。

「這些特點有助於下一步製備高性能的柔性有機太陽能電池。」李耀文說。

接下來，研究人員發現，基於這種新型複合電極製備的柔性有機太陽能電池效率達到了12.07%，表現出了與基於玻璃基底製備的有機太陽能電池相當的效率（12.94%）。這也是目前報導的非銦錫氧化物柔性有機太陽能電池的最高效率。

產業化指日可待

「十三五」戰略性新興產業發展規劃以及國家發展改革委能源局新近發布的《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030）》明確指出，將重點發展基於有機、鈣鈦礦半導體材料的太陽能電池。

李耀文介紹說，儘管有機太陽能電池的能量轉化效率與矽基、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特的優勢為其產業化提供了廣闊的空間，有助於實現與矽基太陽能電池的互補、填補光伏市場在柔性和半透明器件方面的空缺。

首先，有機太陽能電池光活性層所採用的有機/聚合物材料，使其在製備柔性有機太陽能電池方面具有先天的優勢。

此外，有機太陽能電池的光活性層通常不僅具有較薄的厚度（100~300 nm），而且其光學帶隙通過對活性材料的化學剪裁可實現有效調控，從而拓展了有機太陽能電池在半透明和彩色電池領域的應用。

「有機太陽能電池具有獨特的輕質、半透明、多彩化、可彎曲以及可卷對卷大規模生產的特性，在未來的可穿戴能源設備、建築光伏一體化、光伏帳篷和光伏大棚等領域的應用上將會大放異彩。」李耀文說，「因此，柔性、半透明有機太陽能電池的研究將成為一個熱點。目前我國有很多課題組已從事相關內容的研究。在未來的幾年內，我國在該領域應該會有更大的突破、會有很多科研成果出現。」

據了解，中科院院士、中科院化學研究所研究員、蘇州大學教授李永舫已著手相關產業化布局，在江蘇省產業技術研究院有機光電技術研究所成立了光伏中心。光伏中心已配備相關研發人員和設備，主要開展有機太陽能電池光伏材料的放大量合成，以及柔性有機太陽能電池的大面積製備和穩定性研究。

談到柔性有機太陽能電池的產業化，李永舫對《中國科學報》說：「柔性有機太陽能電池的產業化需要一步一步向前推進。」他表示，首先是高效和低成本有機光伏材料的開發和放大合成，以及高性能柔性透明電極的開發和大面積製備；其次需要開展柔性器件的大面積製備工藝、器件穩定性以及封裝材料和工藝的研究；最後需要與公司合作，製備柔性有機太陽能電池組件，並建立柔性有機太陽能電池生產線，實現柔性有機太陽能電池的大規模應用。

「有機太陽能電池是中國人引領的一個研究領域，我們一定要在中國率先實現柔性有機太陽能電池的產業化。」李永舫說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1007/s11426-018-9430-8

《中國科學報》 (2019-04-11 第8版 裝備製造)