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為了把太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電能，光伏太陽(yáng)能電池使用了有機(jī)導(dǎo)電聚合物，這樣，光線的吸收和轉(zhuǎn)化都顯示出巨大的潛力。有機(jī)聚合物的生產(chǎn)可以大批量、低成本進(jìn)行，制成的光伏設(shè)備價(jià)格便宜、輕巧靈活。 在過(guò)去的幾年中，做了大量研究工作，以提高效率，用這些設(shè)備把太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電力，也包括開發(fā)出一些新的材料、器件結(jié)構(gòu)和加工技術(shù)。 
串型太陽(yáng)能電池的多層結(jié)構(gòu) 有一項(xiàng)新的研究，在線發(fā)表于本周2月12日的《自然•光子學(xué)》（Nature Photonics，）雜志上，題為《串型聚合物太陽(yáng)能電池特色是光譜匹配的低帶隙聚合物》（Tandem polymer solar cells featuring a spectrally matched low-bandgap polymer），這些研究人員來(lái)自加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）亨利薩繆里工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（Henry Samueli School of Engineering and Applied Science）以及加州大學(xué)洛杉磯分校加州納米技術(shù)研究院（CNSI：California Nanosystems Institute），他們報(bào)道說(shuō)，他們已經(jīng)極大地提高了聚合物太陽(yáng)能電池的性能，制成的設(shè)備具有新的“串聯(lián)”結(jié)構(gòu)，可以結(jié)合多個(gè)電池，具有不同的吸收頻段。這種設(shè)備認(rèn)證的光電轉(zhuǎn)換效率是8.62％，在2011年7月就創(chuàng)造了這一世界紀(jì)錄。進(jìn)一步，研究人員集成了一種新的紅外吸收高分子材料，這種材料的開發(fā)者是日本住友化學(xué)公司（Sumitomo Chemical），就集成到這種設(shè)備中，這種設(shè)備的架構(gòu)確實(shí)廣泛適用，光電轉(zhuǎn)換效率躍升至10.6％，這又是一個(gè)新的紀(jì)錄，認(rèn)證機(jī)構(gòu)是美國(guó)能源部下屬的國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory）。 因?yàn)槭褂玫碾姵鼐哂胁煌奈疹l段，串型太陽(yáng)能電池提供了有效途徑，可利用更廣泛的太陽(yáng)輻射。然而，效率不會(huì)自動(dòng)提高，因?yàn)橹皇呛?jiǎn)單地合并兩種電池。這些材料用于串聯(lián)電池，必須互相兼容 進(jìn)行高效捕光，研究人員說(shuō)。 到現(xiàn)在為止，串聯(lián)設(shè)備的性能仍然落后于單層太陽(yáng)能電池，主要是因?yàn)槿狈线m的高分子材料。加州大學(xué)洛杉磯分校工程學(xué)院的研究人員已經(jīng)演示了一種高效單層和串聯(lián)聚合物太陽(yáng)能電池，它們的特色是一種低帶隙共軛（low-band-gap-conjugated）聚合物，用于串聯(lián)結(jié)構(gòu)。這種帶隙決定了哪部分太陽(yáng)光譜聚合物可以吸收。
分子設(shè)計(jì)：光學(xué)性質(zhì)和電子密度屬于最高占有分子軌道（HOMO）和最低未占分子軌道（LUMO），屬于PBDTT-DPP分子。a）PBDTT-DPP分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。b）PBDTT-DPP紫外可見光吸收光譜和和P3HT薄膜，以及太陽(yáng)輻射光譜。來(lái)源：加州大學(xué)洛杉磯分校 “設(shè)想一輛雙層巴士，”楊陽(yáng)（Yang Yang）說(shuō)，他是加州大學(xué)洛杉磯分校工程學(xué)院材料科學(xué)與工程教授，也是這項(xiàng)研究的主要研究者。“這種巴士可以載一定數(shù)量的乘客，但是，如果你要增加第二層，加到第一層上方，那就可以容納更多的人，但只占用相同大小的空間。這就是我們這里所做的，就是采用串聯(lián)聚合物太陽(yáng)能電池。”為了更有效地使用太陽(yáng)輻射，楊陽(yáng)的研究小組堆疊起一系列的多個(gè)光敏層，以互補(bǔ)吸收光譜，這樣就制成串聯(lián)聚合物太陽(yáng)能電池。他們的串聯(lián)結(jié)構(gòu)包含一塊正面電池，具有更大的或更高的帶隙材料，還有一塊背面電池，具有較小或較低的帶隙聚合物電池，連接是采用專門設(shè)計(jì)的夾層。
對(duì)比單層設(shè)備，這種串型設(shè)備可以更有效地利用太陽(yáng)能，尤其是可以最大限度地減少其他能量損失。因?yàn)槭褂貌恢挂环N吸光材料，每一種可以捕獲不同部分的太陽(yáng)光譜，所以，這種串聯(lián)電池可以維持電流，增加輸出電壓。研究人員說(shuō)，這些因素可以提高效率。 “太陽(yáng)光譜非常廣泛，包括可見光和不可見光，紅外光和紫外光，”土井修（Shuji Doi）說(shuō)，他是住友化學(xué)公司研究小組經(jīng)理。“我們感到非常興奮的是，住友公司的這種低帶隙聚合物促成了這一創(chuàng)造新紀(jì)錄的效率。”
a）P3HT、IC60BA和PC71BM的化學(xué)結(jié)構(gòu)。b）倒置串聯(lián)太陽(yáng)能電池設(shè)備的結(jié)構(gòu)（LBG型，低帶隙）。c）倒置串聯(lián)設(shè)備的能量圖。來(lái)源：加州大學(xué)洛杉磯分校 “我們一直在做研究，串型太陽(yáng)能電池只搞了很短的時(shí)間長(zhǎng)度，比不上單結(jié)設(shè)備，”李剛（Gang Li）說(shuō)，他是加州大學(xué)洛杉磯分校工程學(xué)院的研究成員，也是《自然•光子學(xué)》上那篇論文的合著者。“我們?nèi)〉眠@樣的成功，提高了效率，只用了短短的一段時(shí)間，這真正體現(xiàn)了疊層太陽(yáng)能電池技術(shù)的巨大潛力。”“一切都做好了，因?yàn)椴捎昧艘环N成本非常低的濕法涂層工藝（wet-coating process），”楊陽(yáng)說(shuō)。“由于這個(gè)工藝可以兼容當(dāng)前的制造技術(shù)，我預(yù)計(jì)，這一技術(shù)會(huì)在商業(yè)上具有可行性，就在不久的將來(lái)。” 這項(xiàng)研究開辟了一個(gè)新的方向，高分子化學(xué)家可以追求設(shè)計(jì)新材料，用于串聯(lián)聚合物太陽(yáng)能電池。此外，它標(biāo)志著重要的一步，是邁向商用聚合物太陽(yáng)能電池。楊陽(yáng)說(shuō)，他的小組希望達(dá)到15％的效率，就在未來(lái)幾年。 這項(xiàng)研究資金來(lái)自美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)，美國(guó)空軍部隊(duì)科研辦公室，海軍研究辦公室和美國(guó)能源部，美國(guó)國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室。 來(lái)源：麻省理工科技創(chuàng)業(yè) 新型太陽(yáng)能電池最大效率可增加25% 新的太陽(yáng)能電池可以增加太陽(yáng)能電池板的最大效率，增幅達(dá)25％以上，這是根據(jù)英國(guó)劍橋大學(xué)（University of Cambridge）的科學(xué)家所說(shuō)。 這些科學(xué)家來(lái)自劍橋大學(xué)物理系卡文迪什實(shí)驗(yàn)室（Cavendish Laboratory），他們開發(fā)出一種新型太陽(yáng)能電池，利用太陽(yáng)能量遠(yuǎn)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更有效。這項(xiàng)研究發(fā)表在今天的雜志《納米快報(bào)》（Nano Letters）上，可以大大提高太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的可用能量。
太陽(yáng)能電池板運(yùn)行時(shí)，吸收的能量來(lái)自光粒子，稱為光子，光子隨后生成電子，產(chǎn)生電力。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池只能捕捉一部分太陽(yáng)光，而且已吸入光子的很多能量，尤其是藍(lán)色光子的能量，都會(huì)散失為熱量。這就不能吸收全部能量，所有不同顏色的光就不能一次吸收，這意味著，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池不能把34％以上的可用陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電力。 劍橋大學(xué)研究小組的領(lǐng)導(dǎo)是尼爾•格林漢姆（Neil Greenham）教授和理查德•弗蘭德（Richard Friend）教授，他們開發(fā)出一種混合電池，可吸收紅光，也可以利用額外的藍(lán)光能量，以增大電流。通常情況下，太陽(yáng)能電池每產(chǎn)生一個(gè)單電子，都需要捕獲一個(gè)光子。然而，只要添加上并五苯（pentacene）這種有機(jī)半導(dǎo)體材料，太陽(yáng)能電池產(chǎn)生兩個(gè)電子，就只需要一個(gè)光子，這種光子來(lái)自藍(lán)色光譜。這可以使電池捕獲44％的入射太陽(yáng)能量。 布魯諾•埃爾勒（Bruno Ehrler）是論文的第一作者，他說(shuō)：“有機(jī)和混合型太陽(yáng)能電池具有優(yōu)越性，勝過(guò)現(xiàn)有的硅基技術(shù)，因?yàn)樗鼈兊纳a(chǎn)可以大批量低成本進(jìn)行，這是因?yàn)椴捎镁韺?duì)卷印刷。然而，太陽(yáng)能電站的很大成本是土地，勞動(dòng)力和安裝硬件。因此，即使有機(jī)太陽(yáng)能電池板比較便宜，我們也需要提高效率，使它們具有競(jìng)爭(zhēng)力。否則，就會(huì)像是買了一幅便宜的油畫，才發(fā)現(xiàn)你需要一個(gè)昂貴的畫框。” 馬克•威爾遜（Mark Wilson）是論文的另一個(gè)作者，他說(shuō)：“我認(rèn)為，非常重要的是我們要走向可持續(xù)發(fā)展的能源，而令人興奮的是可以協(xié)助探索可能的解決方案。” 阿克沙伊•拉奧（Akshay Rao）博士是論文的聯(lián)合作者，他指出：“這僅僅是第一步，要邁向新一代太陽(yáng)能電池，我們感到非常興奮是可以參與這項(xiàng)工作。” 更多信息：論文《單線態(tài)激子裂變敏化紅外量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池》（Singlet Exciton Fission-Sensitized Infrared Quantum Dot Solar Cells）刊登在2012年2月8日一期的《納米快報(bào)》上。 文章中說(shuō)：“我們演示了一種有機(jī)/無(wú)機(jī)混合的光伏設(shè)備架構(gòu)，采用單線態(tài)激子裂變（singlet exciton fission），每吸收一個(gè)高能光子，可以收集到兩個(gè)電子，同時(shí)，也可以利用低能量的光子。這種太陽(yáng)能電池，紅外光子吸收使用硫化鉛（PbS： lead sulfide）納米晶體。可見光光子的吸收采用五環(huán)素，以創(chuàng)造單線態(tài)激子，經(jīng)過(guò)快速激子裂變，產(chǎn)生配對(duì)三重線態(tài)（triplets）。最重要的是，我們確定，這些三重線態(tài)激子可以電離，這要采用有機(jī)/無(wú)機(jī)異質(zhì)結(jié)面（heterointerface）。我們報(bào)道的內(nèi)部量子效率超過(guò)50％，而功率轉(zhuǎn)換效率接近1％。這些結(jié)果表明，有一種替代方法，可以規(guī)避肖克利-奎伊瑟極限（Shockley-Queisser limit），就是單結(jié)太陽(yáng)能電池（single-junction solar cells）功率轉(zhuǎn)換效率的極限。” 來(lái)源：麻省理工科技創(chuàng)業(yè) |
