破解材料運作機制,有機太陽能轉換效率有望再突破

作者 | 發布日期 2018 年 07 月 26 日 8:30 | 分類 太陽能 , 能源科技 , 電池 follow us in feedly

非富勒烯受體(non-fullerene acceptors,NFAs)材料可說是有機太陽能光電轉換效率突飛猛進的功臣之一,它讓有機太陽能電池有望與矽晶太陽能電池一較高下,而近期英國倫敦帝國學院團隊更是成功破解 NFAs 材料運作機制,並進一步了解如何改進材料,拚可加速有機太陽能電池發展。



有機太陽能不僅能透過低價材料與簡易印刷技術製造,該電池還可以製造成半透明、柔軟、可撓式樣式,未來更有機會整合到建築物和車輛、甚至是衣服與織品中,有機太陽能電池最高理論效率更高達 30%,可說是備受看好的太陽能技術之一。

但有機太陽能有一大挑戰,其光電轉換效率與穩定性都不高。該太陽能電池在吸收光子之後會產生電子電洞對(Electron-Hole Pair),而為了產生電流,得透過「電荷分離」來分開帶正電的電子與帶負電的電洞粒子,並讓這些粒子抵達電極來發電。

在過去 30 年的研究中,大多數有機太陽能電池 30% 能量會在電荷分離中遺失,直到近年來科學界找到新型有機材料 NFAs,該材料可減少近 50% 電荷分離造成的能量損失,並讓有機太陽能電池轉換效率突破至 14% 左右。

但該材料為什麼會有如此效果一直都是個謎,因此為破解物理界長久的疑惑,倫敦帝國學院與世界 6 個團隊攜手合作,開發並研究大量高效 NFA 有機太陽能電池,試圖找出電池成功運作背後的原因。

該團隊利用超快速雷射技術(ultrafast laser techniques)觀察材料運作機制,並發現在這些設備中,那些不能發電、被束縛在一起的電子與電洞不會消失,甚至可還原成初始激發態(excited state),這些激發態的能量更能與光子相對應,這樣一來不僅可減少能量損失,還可以提升光電轉換效率。

處於激發態的原子或分子並不穩定,壽命通常很短,但它可以再吸收光,進而躍遷到更高能階的激發態,也能透過發射光或其他方式釋放出過剩能量。

目前該團隊也藉由新理論訂定一套設計規則,未來或許有望打造出更高效的有機太陽能電池。現在倫敦帝國學院也與各國研究團隊攜手製作約 12 種不同的有機太陽能材料,並已成功證明這些規則確實有效。

倫敦帝國學院化學系研究員 Tom Hopper 表示,以往有機太陽能電池材料開發主要是透過嘗試錯誤法(trial and error),而團隊希望這些規則可幫助那些致力於開發高效有機太陽能電池的科學家。

有機太陽能電池雖然製造簡單、材料成本也低,但是其研究可說是一點也不簡單,而現在了解到有機材料 NFAs 如何運作,也有設計規則可依據,這些或許都有助於研究人員打造出更高效的有機太陽能電池,讓該技術朝商業化邁進。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖為團隊利用超快速雷射掃描材料,來源:倫敦帝國學院