來自法國、俄羅斯和哈薩克斯坦的一個國際材料科研團(tuán)隊找到了一種能夠有效提高有機(jī)太陽能電池效率的方法。這項發(fā)表在JournalofMaterialsChemistryA雜志上的新研究表明，基于有機(jī)分子的有序結(jié)構(gòu)可用于生產(chǎn)太陽能。

太陽能電池板或稱太陽能電池是最有前途的發(fā)電方式之一。截至2017年，全球安裝的太陽能電池板的總功率已達(dá)到400千兆瓦。太陽能行業(yè)正在飛速發(fā)展，這都?xì)w功于更便宜和更有效的電池的出現(xiàn)。

改善太陽能系統(tǒng)的一種方法是引入新材料。將光轉(zhuǎn)換成電能的太陽能電池板的基本元件是光伏電池或太陽能電池。它們主要由一種高純度的多晶硅制成。但科學(xué)家正在忙著尋找其它替代材料，而具有光伏特性的有機(jī)聚合物材料將是替代多晶硅的主要候選者之一。

來自法國（斯特拉斯堡大學(xué)、里昂大學(xué)、米蘭學(xué)院、同步加速器SOLEIL），俄羅斯（莫斯科物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、莫斯科國立大學(xué)）和哈薩克斯坦（納扎爾巴耶夫大學(xué)）的一個聯(lián)合研究團(tuán)隊描述了一種通過在聚合物中加入氟原子來提高有機(jī)太陽能電池效率的方法。這種被稱為氟化的方法以前就被證明可以用來提高聚合物的光伏特性，但科學(xué)家們對其作用機(jī)理卻知之甚少。他們的這項新研究則闡明了氟化對材料光伏效率提升的影響原因。

通過進(jìn)行各種聚合物改性實驗，該團(tuán)隊將電池效率從3.7％提高到10.2％。雖然這仍然無法應(yīng)用于商業(yè)硅光伏發(fā)電系統(tǒng)，但效率的大幅提升表明了聚合物基電池是一項不可忽視的技術(shù)。也許隨著研究進(jìn)一步的改進(jìn)，有機(jī)太陽能電池的表現(xiàn)可能超過基于多晶硅的同類產(chǎn)品。

實驗中使用的通用聚合物具有相當(dāng)復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)。它由圖1左側(cè)所示的一系列重復(fù)單元組成。它們中的每一個都包括由一個硫和四個碳原子制成的硫雜環(huán)和具有支鏈結(jié)構(gòu)的烴側(cè)鏈。

研究人員對這種聚合物進(jìn)行了大量修改，以期能找出哪種聚合方式具有更好的光伏特性。他們通過添加氟原子（圖1，右）和改變側(cè)鏈的長度來改變結(jié)構(gòu)，這種聚合物配置被證明具有非常優(yōu)異的性能，它的電池效率和電流輸出比此前的電池高出好幾倍。

然后該團(tuán)隊研究了性能最佳化合物的微觀結(jié)構(gòu)，通過X射線分析顯示聚合物堆疊更有序。此外，材料分子的特征方面具有更高的電荷載流子遷移率，這意味著材料具有更好的導(dǎo)電性能。對于太陽能電池，這顯然是一個優(yōu)勢。

該研究的共同作者DimitriIvanov教授指出了有機(jī)太陽能電池的技術(shù)優(yōu)勢。他說，與傳統(tǒng)的硅光伏電池相比，它們的制造步驟更少。光吸收聚合物也可以起到薄膜的作用，這意味著太陽能電池板不需要是平的。

“例如，你可以將有機(jī)太陽能電池涂覆在屋頂瓦片上，”MIPT功能有機(jī)和混合材料實驗室的負(fù)責(zé)人，同時也是法國國家科學(xué)研究中心研究主任的Ivanov補(bǔ)充說道。

據(jù)Ivanov說，這項研究的挑戰(zhàn)在于“需要通過選擇供體和受體的正確分子能級來優(yōu)化太陽能電池效率，同時還要創(chuàng)造適當(dāng)?shù)某肿咏Y(jié)構(gòu)，以促進(jìn)電荷向電極的傳輸。”