南开大学创下有机太阳能转换效率17.3%的新纪录

风力发电机组|

有机太阳能电池转换效率的进步速度，可说是一日千里，4 月份才有科学家突破 15% 的纪录，近日中国南开大学团队更是将效率提升至 17.3%，还表示突破到 20% 以上并非不可能。 　　硅晶太阳能为目前最常见的成本效益比最高的太阳光电技术，商业化转换率达 15%~22%，更有 20~25 年的可用寿命，只是由于其转换效率预期难以再突破，因此科学家一直在寻找其他更高效率、低成本与无毒太阳光电技术。 　　其中，有机太阳能制作材料部分或全部为有机物，可溶解于油墨中、再用喷涂或是印刷制造，电池成本有望比一般硅晶太阳能电池还要低，具有可大量制造、价格低廉、材地柔软可挠曲等特性，未来甚至可结合到衣服、窗户或是汽车上。 　　但与此同时，它们也存有转换效率低与稳定性不高等问题，因此目前尚未达到商业化。不过，近期有机太阳能转换效率有所进展，以往效率仅停留在 11%~12% 左右，而美国密歇根大学的科研团队 4 月已开发出转换效率达 15% 的有机太阳能电池，使用寿命更可达 20 年，可说是相当大的突破。 　　根据估计，假如有机太阳能转换效率达 15%，并拥有 20 年的可用寿命，每度电仅 7 美分，美国平均电价则为每度电 10.5 美分，显示有机太阳能的成本优势相当大。 　　而近日，中国南开大学化学学院陈永胜教授领衔的团队更带来转换效率高达 17.3% 的有机太阳能，并指出“材料分子结构松散”为有机太阳能电池转换效率不高的原因之一，认为电子移动率低会限制活性层的厚度，无法有效利用太阳光。 　　于是，南开大学团队决定用透过串联方式，将两种不同的有机材料层结合在一起。纳米科学与技术研究中心主任陈永胜表示，串联型有机太阳能电池不仅可以克服上述难题，还可以充分发挥有机材料的特性，两种不同的材料更代表着太阳能电池可吸收不同波段的光，能有效地利用太阳光，最终产生更多电流。 　　科学家透过不同材料让光吸收范围相互互补，像是前侧材料可吸收 300~720 纳米波长的光，另一材料则负责 720~1,000 纳米。就好比现在也有团队将硅晶结合钙钛矿太阳能，让钙钛矿负责将绿光、蓝光转换为电能，硅则负责红光、近红外光。 　　“依据我们提出的半经验模型预测，有机太阳能电池（垫层）的最高转化效率理论上可以达到20%以上。本次工作中，我们同时也对电池的寿命进行了初步试验，发现166天实验后电池效率仅降低4%。未来，我们将继续设计新的材料，在进一步提高能量转化效率的同时，针对电池寿命问题进行系统的实验，争取让有机太阳能电池早日从实验室走向实际应用。”陈永胜说。 　　团队也相当看好有机太阳能的发展与应用，认为该技术距离商业化不远，陈永胜博士甚至将有机太阳能与 OLED 相比较，并表示 OLED 所使用的材料与有机太阳能差不多，其物理原理也是一样的，只是不同方向而已：一个是将太阳能转换成电力，OLED 则是将电转换成光。 　　目前 OLED 已经达成商业化，也被广泛用于手机与高阶电视，因此陈永胜认为有机太阳能或许可在五年达成商业化。该研究已发表在《Science》。