小改变、大提高

研究人员通过改变太阳能电池阳极缓冲层的加工工艺来大幅提高有机太阳能电池的能量转化率。

作者:孙凌

随着不可再生的化石能源的逐渐衰竭,寻找清洁的可再生能源变得更加迫在眉睫。太阳能作为一种可再生能源,一直以来受到人们的高度关注。然而,由于太阳能受季节和昼夜限制极大,如何更有效地储存太阳能一直是科学界的难题。太阳能电池是一种可以将太阳能直接转化为电能的设备。以往的太阳能电池主要基于单晶硅材料。然而单晶硅制备工艺复杂,成本较高,并且容易造成环境污染。因此越来越多的科学家们开始寻找单晶硅的替代材料来制备太阳能电池。其中,聚合物材料由于其低廉的成本和可控的化学性能,引起了越来越多的关注。然而,现有的聚合物太阳能电池的最大缺陷是能量转化率低(power conversion efficiency),并且稳定性差。这主要有两个原因:一方面,在这类电池中,通常使用低功函的金属材料作为阴极电极,在水和氧气的复合作用下,金属电极很容易被腐蚀,从而大大降低电池的效率;另一方面,目前大部分聚合物太阳能电池(polymer solar cells)仍依赖PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate))作为阳极缓冲层,由于PEDOT:PSS在水的存在下显弱酸性,从而对与其相接触的阳极和光伏聚合物造成腐蚀。因此,目前的聚合物太阳能电池还无法实现大规模商业化应用。

为了克服常规聚合物太阳能电池的缺点,一部分科学家设计了一种反型结构来制备聚合物太阳能电池(inverted polymer solar cells)。在这种结构中,高功函金属被用来制备阳极电极,金属氧化物(如氧化锌,ZnO)作为阳极缓冲层,而ITO(Indium Tin Oxide)则被用作阴极电极。这种结构避免了使用不稳定的低功函金属和酸性的PEDOT:PSS,因此可以在一定程度上提高电池的效率和寿命。然而,在以往的研究中,人们通常在较高的温度(>200 ℃)下制备氧化锌,并引入一些配位基来稳定氧化锌。这却大大影响了电池中其他材料的性能。因此,这类反型聚合物太阳能电池的能量转化率一直较低。

来自美国加州大学圣芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara)的Heeger教授带领的课题组最近提出了一种制备氧化锌缓冲层的方法:通过传统的溶胶-凝胶法,他们成功地在低温下(≤200 ℃)制备出氧化锌薄膜。不仅如此,利用这种氧化锌薄膜制成的反型体异质结太阳能电池的能量转换率(约6%)是目前已报道的该类器件中最高的,并且拥有极佳的稳定性(在空气中储存30天后,能量转换率仅下降30%)。

Y. Sun et al., Adv. Mater. 2011, DOI: 10.1002/adma.201004301.