【中國科學報】柔性太陽能電池的探索之路

2020-11-27 中國科學院

　　柔性太陽能光伏發電與儲存一體化技術仍然面臨挑戰。

　　能源問題是人類面臨的一個嚴峻問題。取之不盡、用之不竭的太陽能是清潔能源時代的寵兒。

　　太陽能電池是把太陽能轉化為電能的重要裝置，其光電轉化效率和穩定性成為業內關注的焦點。日前，澳大利亞昆士蘭大學教授王連洲課題組基於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域的新探索，在《儲能材料》上發表了一篇題為《柔性太陽能充電系統》的綜述。

　　在國內，中國科學院院士李永舫自2000年開始從事共軛高分子轉入有機聚合物太陽能電池的研究。他告訴《中國科學報》：「有機聚合物太陽能電池與傳統矽基太陽能電池相比，最大的特點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50年代，太陽能電池開始興起並發展至今，現在應用比較普遍的是矽基太陽能電池。此外，還有無機半導體薄膜太陽能電池、染料敏化太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、有機聚合物太陽能電池等。

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

　　李永舫以矽基太陽能電池為例介紹道，矽基太陽能電池在生產過程中耗能較高，尤其是原材料的支配，以及矽要達到99.9999%純化，這個純化過程也需要耗能。

　　他說：「矽基太陽能電池要使用6～7年才能把生產過程中的耗能收回來，而有機聚合物太陽能電池的能耗大概一年左右就可以收回，但存在穩定性問題，導致使用壽命不長，反觀矽基太陽能電池使用壽命可達20年。

　　2017年，英國、義大利、西班牙等7個國家的15家企業研究機構組成歐洲Powerweave研發團隊，開展基於染料敏化纖維材料太陽能光伏電池技術和電能儲存纖維材料薄膜蓄電池技術的有機組合的原位集成技術研究。

　　來自中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員葛子義團隊發現，當前大多數有機太陽能電池的研究結果都是基於剛性的氧化錫（ITO）玻璃基板。然而，ITO在塑料基板上存在導電性差和機械脆性等問題，另外ITO通常在高溫下通過真空濺射進行加工，這使得其價格昂貴，不利於採用大面積印刷和卷對捲來製備。

　　為此，葛子義團隊開發了低溫酸處理PEDOT/PSS電極替代需要高溫濺射且昂貴的ITO電極。團隊稱，這類全溶液加工的柔性有機太陽能電池非常符合卷對卷印刷和刮塗等大面積製備工藝的技術要求，為有機太陽能電池低成本柔性化製備提供了重要的參考途徑。

　　提升光電轉換效率

　　記者獲悉，葛子義團隊利用全溶液加工技術，採用PBDB-T和IT-M非富勒烯活性層，製備了全溼法加工非ITO的單結柔性有機太陽能電池，電池的能量轉換效率達到10.12%。

　　有機聚合物太陽能電池的研究興起於20世紀60年代，當時的轉換效率非常低。李永舫最開始研究有機聚合物太陽能電池時由於條件不太好，效率也一直不高。2004年前後，李永舫團隊開始思考如何提高材料的光電轉換效率。

　　「太陽能轉化成電能，首先要求光伏材料對光有較寬和強的吸收，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，「我們當年選擇了富勒烯衍生物受體，其電子遷移率較高，隨後我們的關注點轉到給體材料。」

　　「我們那個時候就想到了共軛側鏈這個概念。」李永舫解釋道，「由於共軛高峰的主鏈傳輸很快，有了共軛側鏈就像搭了座橋，使電荷在這條共軛側鏈上傳輸也比較快，提高空穴遷移率，進而提升光伏性能。」

　　近年來，提升材料光電轉化效率已成為太陽能電池的主流研究方向。南開大學化學學院教授陳永勝在柔性透明電極與柔性有機太陽能電池領域研究中發現，獲得高性能的柔性透明電極是研發高效柔性有機光電器件的前提，也是目前該領域的核心難題。「因此，如何獲得同時具有高導電、高透光、低表面粗糙度以及製備方法簡單、綠色的柔性透明電極，是一項巨大的挑戰。」

　　2019年11月，陳永勝團隊在《自然—電子學》發表文章，介紹了團隊製備出同時具有高導電、高透光且低表面粗糙度的銀納米線柔性透明電極，將其用於構築柔性有機太陽能電池，與使用商業氧化銦錫玻璃電極的器件性能相當，光電轉化效率可達16.5%，刷新了當時文獻報導的柔性有機/高分子太陽能電池光電轉化效率的最高紀錄。

　　多領域的潛在應用

　　王連洲團隊在綜述文章裡指出，由於太陽光自身的強度不穩定性以及間歇性，促使該領域的科研人員進一步探索光伏能源生成與儲存的集成系統，促進了太陽能充電儲能系統的發展。

　　南京工業大學先進材料研究院教授陳永華告訴《中國科學報》：「太陽能充電儲能系統比較適合應用於物聯網和人機互動等領域，前提是需要提升光電轉換和存儲效率。」此前，陳永華團隊尋找並設計出能夠穩定鈣鈦礦結構的有機胺分子，製備出的層狀鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率得到明顯提升。

　　如今，太陽能充電儲能系統已被廣泛研究並應用於智能電網、房屋能源供給、通勤電動車輛、家用電子產品，以及可攜式可穿戴電子設備中。在設計新一代可穿戴可攜式能源設備尤其是太陽能充電儲能系統時，王連洲團隊意識到，柔韌性及可便攜性是必須考慮的兩大關鍵指標。

　　王連洲團隊表示，相比於傳統的剛性器件，柔性薄膜太陽能電池因低溫製備及易實現的面板安裝技術而大大降低了成本。此外，將柔性的薄膜光伏系統與儲能系統結合起來，不僅可以實現便攜可穿戴設備的無線充電，還可以極大地提高電池的工作時長，實現更為廣泛、精細的應用。

　　中國科學院電工研究所副研究員原郭豐向《中國科學報》介紹道，柔性太陽能光伏發電與儲存一體化技術，具有明顯的表面結構適應性強、易彎曲、重量輕、無需額外安裝費用等優勢，可靈活應用於服飾、戶外裝備、建築物、交通運輸工具、電子設備等需要遮陽及複雜結構的物體外表面，也可以作為光伏發電儲存一體化系統進行使用。

　　原郭豐還指出：「柔性太陽能光伏發電與儲存一體化技術仍然面臨材料的製備及其穩定性、複雜條件下材料壽命、光電轉化效率、充放電效率、安全性以及成本等諸多問題。」

　　相關論文信息：

　　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

　　（原載於《中國科學報》 2020-08-19 第3版 能源化工)

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