串聯兩種有機材料,中國有機太陽能轉換效率突破 17%

作者 | 發布日期 2018 年 08 月 16 日 17:19 | 分類 光電科技 , 太陽能 , 電池 follow us in feedly

身為太陽能新生代潛力軍,有機太陽能轉換效率進步速度可說是一日千里,4 月才有科學家達到 15% 紀錄,近日中國南開大學團隊更將效率提升至 17.3%,還表示突破到 20% 以上並非不可能。



目前矽晶太陽能為最常見與成本效益比最高的太陽光電技術,商業化轉換率達 15%~22%,更有 20%~25 年的可用壽命,只是由於其轉換效率預期難以再突破,因此科學家一直在尋找其他更高效率、低成本與無毒太陽光電技術。

其中有機太陽能製作材料部分或全部為有機物,可溶解於油墨中、再用噴塗或是印刷製造,電池成本有望比一般矽晶太陽能電池還要低,具有可大量製造、價格低廉、材地柔軟可撓曲等特性,未來甚至可結合到衣服、窗戶或是汽車上。

但與此同時,它們也存有轉換效率低與穩定性不高等問題,因此現在尚未達到商業化。不過近期科學家紛紛在有機太陽能轉換效率有所進展,以往效率僅停留在 11%~12% 左右,而美國密西根大學團隊 4 月已開發出轉換效率達 15% 的有機太陽能電池,使用壽命更可達 20 年,可說是相當大的突破。

根據估計,假如有機太陽能轉換效率達 15%,並擁有 20 年的可用壽命,每度電僅 7 美分,美國平均電價則為每度電 10.5 美分,顯示有機太陽能的成本優勢相當大。

而近日,中國南開大學更帶來轉換效率高達 17.3% 的有機太陽能,並指出「材料分子結構鬆散」為有機太陽能電池轉換效率不高的原因之一,認為電子移動率低會限制活性層的厚度,無法有效利用太陽光。

於是南開團隊決定用透過串聯方式,將兩種不同的有機材料層結合在一起。奈米科學與技術研究中心主任陳永勝表示,串聯型有機太陽能電池不僅可以克服上述難題,還可以充分發揮有機材料的特性,兩種不同的材料更代表著太陽能電池可吸收不同波段的光,能有效地利用太陽光,最終產生更多電流。

科學家透過不同材料讓光吸收範圍相互互補,像是前側材料可吸收 300~720 奈米波長的光,另一材料則負責 720~1,000 奈米。就好比現在也有團隊將矽晶結合鈣鈦礦太陽能,讓鈣鈦礦負責將綠光、藍光轉換為電能,矽則負責紅光、近紅外光。

研究也指出,該電池轉換效率最高有望達到 20% 以上,且經過 166 天初步測驗,電池效率僅下降 4% 左右,穩定性已比過去還要高出許多。

團隊也相當看好有機太陽能的發展與應用,認為該技術距離商業化不遠,陳永勝博士甚至將有機太陽能與 OLED 相比較,並表示 OLED 所使用的材料與有機太陽能差不多,其物理原理也是一樣的,只是不同方向而已:一個是將太陽能轉換成電力,OLED 則是將電轉換成光。

目前 OLED 已經達成商業化,也被廣泛用於手機與高階電視,因此陳永勝認為有機太陽能或許可在五年達成商業化。該研究已發表在《Science》。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:Flickr/ESA_events CC BY 2.0)