有機太陽能轉換效率躍升至 10.2%,盼成為綠能屋頂潛力軍

作者 | 發布日期 2018 年 08 月 02 日 9:00 | 分類 太陽能 , 材料、設備 , 能源科技 follow us in feedly

未來太陽光電產業或許再也不是矽晶電池的天下!近日俄羅斯、法國與哈薩克聯合團隊研發出可裝置於屋頂的有機太陽能電池,轉換效率高達 10.2%,有望改變將來屋頂太陽能系統的主要材料。



得益於太陽光電與儲能系統成本下滑,綠能屋頂越來越受歡迎,2017 年全球屋頂太陽能裝置量已達 400GW,安裝太陽能板儼然成為住家與企業節省電費與愛護地球的表現。

現在屋頂太陽能材料多以矽晶為主,但以大規模商業化的技術而言,轉換效率預期很難超過 25%,因此科學家一直在尋找另一個太陽能明日之星,而具有可撓特性、製造簡易與材料成本低廉的有機太陽能電池便是主要候選人之一。

為了找出高效且可商業化的有機材料,莫斯科物理技術學院(MIPT)、莫斯科國立大學、法國史特拉斯堡大學(UDS)、里昂大學、法國米盧斯材料科學研究所(IS2M)、法國國家同步輻射實驗室、哈薩克納札巴耶夫大學組成團隊,並在有機聚合物中添加氟原子,成功將有機太陽能轉換效率從 3.7% 躍升至 10.2%。

而此方法為著名的氟化反應(fluorination),先前就有研究指出該方式可增加太陽光電轉換效率,不過背後原因一直是個謎團,在此之前都沒有任何一組科學團隊成功破解,新研究除了進一步提升有機太陽光電轉換效率,也同時找出材料運作原因:氟化反應會改變材料內部結構,有效提升電池性能。

▲ 右為氟化後的材料結構。(Source:莫斯科物理技術學院

實驗測試的材料分子結構相當複雜,由多個重複單元組成,單元包括含硫雜環化合物(sulfur heterocycles)和具有許多支鏈的鏈狀烴。為找出光電特性最好的材料,研究員不斷最佳化實驗,像是添加氟原子跟改變側鏈長度,而最後團隊也終於如願以償地大大提高光電轉換效率與電輸出。

研究也針對材料進行微觀結構研究(microscopic structure),X 光分析指出,該材料內部結構排列相當有秩序,分子流動性也高,可說是個良好的電荷載體,十分適合用在太陽能電池。

雖然目前太陽能電池轉換效率尚不及矽晶電池,但最佳化材料與研究之後,轉換效率或許可進一步超越矽晶太陽能電池。根據過去研究,有機太陽能電池最高理論效率達 30%,比矽晶太陽能的 29% 還要高。

MIPT 功能性有機與混合材料研究所教授 Dimitri Ivanov 指出,這項研究主要挑戰在於如何打造更高的分子能階並提升光轉換效率,且為增加電荷輸送到電極的速度,團隊也必須研製出超分子結構。

該研究將有助於提升有機太陽能電池進展,Ivanov 表示,與矽晶太陽能相比,有機太陽能電池製作步驟較少,且由於其具有可撓特性,該種太陽能電池也可以裝置在屋頂,顯然相當看好有機太陽能電池應用潛力。目前研究已發表在《Journal of Materials Chemistry A》。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:pixabay