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）
