可撓式有機太陽能新進展,提升材料彈性又不影響轉換效率

作者 | 發布日期 2018 年 11 月 16 日 13:30 | 分類 太陽能 , 材料 , 電池 follow us in feedly

隨著科技日新月異,未來身上的衣服說不定曬一曬太陽就可以幫手機充電。近期美國萊斯大學成功研發出可撓式有機太陽能新材料,透過在有機材料添入化學添加劑,可在不影響光電效率的情況下提升太陽能材料的彈性,有助於加速可撓式太陽能的發展。



相較於現今太陽光電主流矽晶太陽能,有機太陽能多由碳基材料等聚合物製成,材料具輕薄、半透明與便宜等優勢,雖然轉換效率仍不及矽晶的 22%,目前只有少少的 15%,但該技術可透過噴塗或是印刷方式製造,製造成本可說是相當低廉,未來或許只要幾個月就能回收裝置成本,再加上有機太陽能不容易碎裂,應用範圍廣泛,可裝置在電動車、飛機機翼、建築物甚至是衣服上,發展潛力不容小覷。

萊斯大學化學和生物分子工程師 Rafael Verduzco 指出,長期以來太陽能領域的科學家都比較注重光電轉換效率,雖然這確實相當重要、轉換效率也確實與日俱增,但太陽能電池材料的機械性質也是重點,一直忽略也不是個辦法。

就好比如果現在拉扯或折一下太陽能電池,就會在活性層發現破裂與受損,進而影響效率。因此萊斯大學為了改善太陽能版又脆又硬的缺點,在太陽能材料添入化學添加劑硫醇烯(thiol-ene),讓分子可以跟聚合物相互交聯成網狀結構,進一步提高材料的彈性。

▲ 萊斯大學透過在聚合物材料加入化學添加劑硫醇烯分子,讓兩者相互交聯形成網狀結構,在緩解材料脆硬問題的同時,也不會影響光電轉換效率。

要達成這一目標也不簡單,硫醇烯過多會降低轉換效率,太少會讓聚合物結晶在壓力下受損。萊斯大學團隊也實驗指出,假如用添入硫醇烯的材料取代 50% 的活性層,材料的光吸收會降低 50%,電流也會減少。

因此研究進一步將比率降至 20%,實驗結果也相當符合團隊期待,太陽能電池轉換效率並未將低、材料也更加靈活,Verduzco 表示,硫醇烯是小分子,並不會破壞聚合物的特性,因此團隊可以用紫外線、加熱方式製造新型電池,也可以放著它隨著時間的流逝、自然形成網狀結構,顯然化學反應相當溫和與高效,可說是目前的最佳比例。

團隊也同時測試材料的伸展性能,通常活性層 P3HT 會在應變值達 6% 時裂開,但當團隊添入 10% 硫醇烯,應變值可以提升到 14%,新材料甚至到 16% 才會出現裂縫。Verduzco 指出,雖然研究團隊也可以將應變值提升到 30% 以上,但如此一來太陽能電池效率就會降低。

目前研究並未提到現在的光電轉換效率是多少,但萊斯大學團隊表示他們一直將光電流損失控制在 20% 以內,未來則希望能嘗試不同的有機太陽光電材料,同時也盼望可提升新材料的並製造更大的太陽能電池,目前新論文已發表在《Chemistry of Materials》。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;圖片來源:萊斯大學