柔性太阳能电池的探索之路

核心提示: 板上存在导电性差和机械脆性等问题,另外ITO通常在高温下通过真空溅射进行加工,这使得其价格昂贵,不利于采用大面积印刷和卷对卷来制...

    板上存在导电性差和机械脆性等问题,另外ITO通常在高温下通过真空溅射进行加工,这使得其价格昂贵,不利于采用大面积印刷和卷对卷来制备。
    为此,葛子义团队开发了低温酸处理PEDOT/PSS电极替代需要高温溅射且昂贵的ITO电极。团队称,这类全溶液加工的柔性有机太阳能电池非常符合卷对卷印刷和刮涂等大面积制备工艺的技术要求,为有机太阳能电池低成本柔性化制备提供了重要的参考途径。
    提升光电转换效率
    记者获悉,葛子义团队利用全溶液加工技术,采用PBDB-T和IT-M非富勒烯活性层,制备了全湿法加工非ITO的单结柔性有机太阳能电池,电池的能量转换效率达到10.12%。
    有机聚合物太阳能电池的研究兴起于20世纪60年代,当时的转换效率非常低。李永舫最开始研究有机聚合物太阳能电池时由于条件不太好,效率也一直不高。2004年前后,李永舫团队开始思考如何提高材料的光电转换效率。
    “太阳能转化成电能,首先要求光伏材料对光有较宽和强的吸收,另外给体材料要有高的空穴迁移率,受体材料要有高的电子迁移率。”李永舫回忆道,“我们当年选择了富勒烯衍生物受体,其电子迁移率较高,随后我们的关注点转到给体材料。”
    “我们那个时候就想到了共轭侧链这个概念。”李永舫解释道,“由于共轭高峰的主链传输很快,有了共轭侧链就像搭了座桥,使电荷在这条共轭侧链上传输也比较快,提高空穴迁移率,进而提升光伏性能。”
    近年来,提升材料光电转化效率已成为太阳能电池的主流研究方向。南开大学化学学院教授陈永胜在柔性透明电极与柔性有机太阳能电池领域研究中发现,获得高性能的柔性透明电极是研发高效柔性有机光电器件的前提,也是目前该领域的核心难题。“因此,如何获得同时具有高导电、高透光、低表面粗糙度以及制备方法简单、绿色的柔性透明电极,是一项巨大的挑战。”
    2019年11月,陈永胜团队在《自然—电子学》发表文章,介绍了团队制备出同时具有高导电、高透光且低表面粗糙度的银纳米线柔性透明电极,将其用于构筑柔性有机太阳能电池,与使用商业氧化铟锡玻璃电极的器件性能相当,光电转化效率可达16.5%,刷新了当时文献报道的柔性有机/高分子太阳能电池光电转化效率的最高纪录。
    多领域的潜在应用
    王连洲团队在综述文章里指出,由于太阳光自身的强度不稳定性以及间歇性,促使该领域的科研人员进一步探索光伏能源生成与储存的集成系统,促进了太阳能充电储能系统的发展。
    南京工业大学先进材料研究院教授陈永华告诉《中国科学报》:“太阳能充电储能系统比较适合应用于物联网和人机互动等领域,前提是需要提升光电转换和存储效率。”此前,陈永华团队寻找并设计出能够稳定钙钛矿结构的有机胺分子,制备出的层状钙钛矿太阳能电池光电转换效率得到明显提升。
    如今,太阳能充电储能系统已被广泛研究并应用于智能电网、房屋能源供给、通勤电动车辆、家用电子产品,以及便携式可穿戴电子设备中。在设计新一代可穿戴便携式能源设备尤其是太阳能充电储能系统时,王连洲团队意识到,柔韧性及可便携性是必须考虑的两大关键指标。
    王连洲团队表示,相比于传统的刚性器件,柔性薄膜太阳能电池因低温制备及易实现的面板安装技术而大大降低了成本。此外,将柔性的薄膜光伏系统与储能系统结合起来,不仅可以实现便携可穿戴设备的无线充电,还可以极大地提高电池的工作时长,实现更为广泛、精细的应用。
    中国科学院电工研究所副研究员原郭丰向《中国科学报》介绍道,柔性太阳能光伏发电与储存一体化技术,具有明显的表面结构适应性强、易弯曲、重量轻、无需额外安装费用等优势,可灵活应用于服饰、户外装备、建筑物、交通运输工具、电子设备等需要遮阳及复杂结构的物体外表面,也可以作为光伏发电储存一体化系统进行使用。
    原郭丰还指出:“柔性太阳能光伏发电与储存一体化技术仍然面临材料的制备及其稳定性、复杂条件下材料寿命、光电转化效率、充放电效率、安全性以及成本等诸多问题。”
上海电气
电力月刊137期
第三届“热电联产远距离低能耗集中供热技术研讨会”
岱海发电亚临界机组“跨代”升级暨节能减排改造经验交流会


扫描关注“中国电力科技网”订阅号