聚合物太阳能电池蓄势待发

体异质结聚合物太阳能电池(bulk heterojunction polymer solar cells)是一种将含有由电子给体(donor)和电子受体(acceptor)的聚合物混合物夹在两个电极之间的太阳能电池,这种电池是所有聚合物光电池中效率最高的,并可采用滚轴技术(roll-to-roll)进行大规模生产。然而以往的技术无法低成本大规模生产高效电池。

来自密西根大学(University of Michigan)的Hui Joon Park及其同事现开发出一种新的制造技术,使得制备廉价高效的聚合物太阳能电池成为可能。

聚合物太阳能电池的工作原理如下:入射光子将电子从给体聚合物内撞出,留下成对的自由电子(free electrons)及空穴(holes),这中空穴是一个带正电且缺电子的空穴。这个电子空穴对扩散到给体-受体界面处分离,电子通过受体扩散到阴极,电子空穴通过给体扩散到阳极,从而共同产生电流。

电子及电子空穴成对及单个扩散的过程缓慢,这意味着体异质结太阳能电池要达到高效率必须具备以下两点:电池中使用的给体与受体之间接触表面积较大;电子及电子空穴可以尽量无障碍地通过给体及受体聚合物到达电极。

Park等人采用压力及热处理来实现上述两点。他们的方法包括四个主要步骤:首先,将给体及受体聚合物的混合液体放置在阳极基板上;其次,使用覆盖有透气性薄膜的机械轧辊施加压力,在此期间,聚合物混合物通过蒸发变干;第三,对聚合物混合物进行热处理;最后,阴极沉积于顶部。

这一技术的关键在于第二个步骤中的压力。在以前的方法中,缺少表面压力导致供体及受体聚合物的垂直分离,并进而导致供体-受体接触面积变小以及低太阳能电池效率。通过施加压力到顶部表面可增大接触表面积并由此提高效率。这样能统一垂直分布供体及受体材料,以及相互贯穿的纳米域。压力还有一个附加效果,即导致远离压力表面的剪切流使供体聚合物链排成一列,产生能使空穴达到阳极的通道。然而,和供体聚合物链不同的是,受体聚合物并没有通过施压而很好地重组,这也正是进行热处理的原因,使得受体聚合物结晶并产生能使电子到达阴极的通道。

Park及其团队的研究证实了这些结论。他们在测试中将他们研制的太阳能电池与其他电池进行了比较。他们发现这些电池的电子及空穴的迁移率高于其他电池的迁移性,而且整体能量转换效率(power conversion efficiency)达3.5%。这些结论以及简便的制作方法意味着便宜高效的聚合物太阳能电池即将面世!

Park et al., Adv. Mater. 2010; DOI: 10.1002/adma.201000250

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