膠帶解決有機太陽能易受潮問題,無封裝也能在水中運作

作者 | 發布日期 2019 年 05 月 08 日 8:15 | 分類 太陽能 , 材料、設備 , 能源科技 follow us in feedly


有機太陽能電池雖然可撓又能製成透明的太陽能模組,但偏偏易受潮,不耐水、濕氣與光,距離商業化還有一大段距離,為此美國紐約大學已採用與過去截然不同的方法,透過刪除部分太陽能材料解決上述的挑戰,新電池即使無封裝也能在水下運作。

有機太陽能是用聚合物或有機生物來當作太陽能發電材料,具有輕薄、低成本、易回收、可撓等優勢,未來有機會應用在電動車、飛機機翼、建築物、玻璃甚至是衣服上,發展潛力不容小覷。

然而有機太陽能何時才能抵達那美好的未來?目前該電池實驗室最高轉換效率紀錄只有 15%、又有不耐濕熱與光的大缺點,要突破上述挑戰才可以抵達商業化。對此,紐約大學團隊針對提高有機太陽能穩定性問題提出一項解決方案,決定不新添材料為電池打造「防護背心」,改成「縮減材料」,刪除易使太陽能板降解的材料。

在一般有機太陽能電池的主動層中,科學家多把聚三己烷塞吩(P3HT)當作電子施體,苯基碳 61 丁酸甲酯(PCBM)則是電子受體,將兩種有機材料均勻混合後,再製成主動層薄膜。

但是 PCBM 是種富勒希衍生物,具有電子遷移率、溶解性高的特性,這會降低主動層的耐濕度,紐約大學團隊決定去除主動層表面的 PCBM,讓電池主動層表面只留下不會跟水、光或空氣起反應的非反應性聚合物。

團隊採用的方法非常特別,跟人們除汗毛的方法有點相似:用膠帶去除 PCBM。

(Source:ACS Energy Letters

他們首先將膠帶貼在主動層薄膜表面,之後再對薄膜施加壓力跟高溫,溫度降至跟室溫相同後再慢慢撕下膠帶。團隊表示,最終主動層表面只剩下 6% 的 PCBM,剩下部分都是聚合物,可降低富勒希衍生物跟水分子、氧的接觸面積。

團隊新製程也一同解決有機太陽能電池另一大挑戰,高聚合物的比例可提高主動層跟金屬陰電極的黏著度,若陰極與有機層的接觸面附著力不佳,就會造成電極分層(delamination)狀況,電子無法順利注入而產生暗點。

紐約大學化學與生物分子工程教授 André Taylor 表示,去除主動層表面的電子受體可提高有機太陽能的耐濕度,電池甚至可以在無封裝的狀況下下水運作,且新型太陽能電池在經過 10,000 次彎曲後也沒有損毀。研究團隊也指出,即使無封裝、長時間在水下運作,也不見轉換效率降低,有機會應用在潛水手錶,除此之外,科學家可以透過新技術控制主動層的垂直材料分布,進而提高電子傳遞速度。

若該研究有成,將可加速有機太陽能的商業化進展,讓該太陽能技術能與現今主流矽晶太陽能相競爭。

(首圖為示意圖,來源:pixabay