為了把太陽光轉(zhuǎn)換成電能，光伏太陽能電池使用了有機(jī)導(dǎo)電聚合物，這樣，光線的吸收和轉(zhuǎn)化都顯示出巨大的潛力。有機(jī)聚合物的生產(chǎn)可以大批量、低成本進(jìn)行，制成的光伏設(shè)備價(jià)格便宜、輕巧靈活。

在過去的幾年中，做了大量研究工作，以提高效率，用這些設(shè)備把太陽光轉(zhuǎn)換成電力，也包括開發(fā)出一些新的材料、器件結(jié)構(gòu)和加工技術(shù)。

串型太陽能電池的多層結(jié)構(gòu)

有一項(xiàng)新的研究，在線發(fā)表于本周2月12日的《自然?光子學(xué)》(NaturePhotonics，)雜志上，題為《串型聚合物太陽能電池特色是光譜匹配的低帶隙聚合物》(Tandempolymersolarcellsfeaturingaspectrallymatchedlow-bandgappolymer)，這些研究人員來自加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)亨利薩繆里工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(HenrySamueliSchoolofEngineeringandAppliedScience)以及加州大學(xué)洛杉磯分校加州納米技術(shù)研究院(CNSI：CaliforniaNanosystemsInstitute)，他們報(bào)道說，他們已經(jīng)極大地提高了聚合物太陽能電池的性能，制成的設(shè)備具有新的“串聯(lián)”結(jié)構(gòu)，可以結(jié)合多個(gè)電池，具有不同的吸收頻段。這種設(shè)備認(rèn)證的光電轉(zhuǎn)換效率是8.62%，在2011年7月就創(chuàng)造了這一世界紀(jì)錄。

進(jìn)一步，研究人員集成了一種新的紅外吸收高分子材料，這種材料的開發(fā)者是日本住友化學(xué)公司(SumitomoChemical)，就集成到這種設(shè)備中，這種設(shè)備的架構(gòu)確實(shí)廣泛適用，光電轉(zhuǎn)換效率躍升至10.6%，這又是一個(gè)新的紀(jì)錄，認(rèn)證機(jī)構(gòu)是美國(guó)能源部下屬的國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NationalRenewableEnergyLaboratory)。

因?yàn)槭褂玫碾姵鼐哂胁煌奈疹l段，串型太陽能電池提供了有效途徑，可利用更廣泛的太陽輻射。然而，效率不會(huì)自動(dòng)提高，因?yàn)橹皇呛?jiǎn)單地合并兩種電池。這些材料用于串聯(lián)電池，必須互相兼容進(jìn)行高效捕光，研究人員說。

到現(xiàn)在為止，串聯(lián)設(shè)備的性能仍然落后于單層太陽能電池，主要是因?yàn)槿狈线m的高分子材料。加州大學(xué)洛杉磯分校工程學(xué)院的研究人員已經(jīng)演示了一種高效單層和串聯(lián)聚合物太陽能電池，它們的特色是一種低帶隙共軛(low-band-gap-conjugated)聚合物，用于串聯(lián)結(jié)構(gòu)。這種帶隙決定了哪部分太陽光譜聚合物可以吸收。

分子設(shè)計(jì)：光學(xué)性質(zhì)和電子密度屬于最高占有分子軌道(HOMO)和最低未占分子軌道(LUMO)，屬于PBDTT-DPP分子。a)PBDTT-DPP分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。b)PBDTT-DPP紫外可見光吸收光譜和和P3HT薄膜，以及太陽輻射光譜。來源：加州大學(xué)洛杉磯分校

“設(shè)想一輛雙層巴士，”楊陽(YangYang)說，他是加州大學(xué)洛杉磯分校工程學(xué)院材料科學(xué)與工程教授，也是這項(xiàng)研究的主要研究者。“這種巴士可以載一定數(shù)量的乘客，但是，如果你要增加第二層，加到第一層上方，那就可以容納更多的人，但只占用相同大小的空間。這就是我們這里所做的，就是采用串聯(lián)聚合物太陽能電池。”

為了更有效地使用太陽輻射，楊陽的研究小組堆疊起一系列的多個(gè)光敏層，以互補(bǔ)吸收光譜，這樣就制成串聯(lián)聚合物太陽能電池。他們的串聯(lián)結(jié)構(gòu)包含一塊正面電池，具有更大的或更高的帶隙材料，還有一塊背面電池，具有較小或較低的帶隙聚合物電池，連接是采用專門設(shè)計(jì)的夾層。

電流-電壓特性和外部量子效率(EQEs)，屬于常規(guī)和倒置的單電池設(shè)備。

對(duì)比單層設(shè)備，這種串型設(shè)備可以更有效地利用太陽能，尤其是可以最大限度地減少其他能量損失。因?yàn)槭褂貌恢挂环N吸光材料，每一種可以捕獲不同部分的太陽光譜，所以，這種串聯(lián)電池可以維持電流，增加輸出電壓。研究人員說，這些因素可以提高效率。

“太陽光譜非常廣泛，包括可見光和不可見光，紅外光和紫外光，”土井修(ShujiDoi)說，他是住友化學(xué)公司研究小組經(jīng)理。“我們感到非常興奮的是，住友公司的這種低帶隙聚合物促成了這一創(chuàng)造新紀(jì)錄的效率。”

a)P3HT、IC60BA和PC71BM的化學(xué)結(jié)構(gòu)。b)倒置串聯(lián)太陽能電池設(shè)備的結(jié)構(gòu)(LBG型，低帶隙)。c)倒置串聯(lián)設(shè)備的能量圖。來源：加州大學(xué)洛杉磯分校

“我們一直在做研究，串型太陽能電池只搞了很短的時(shí)間長(zhǎng)度，比不上單結(jié)設(shè)備，”李剛(GangLi)說，他是加州大學(xué)洛杉磯分校工程學(xué)院的研究成員，也是《自然?光子學(xué)》上那篇論文的合著者。“我們?nèi)〉眠@樣的成功，提高了效率，只用了短短的一段時(shí)間，這真正體現(xiàn)了疊層太陽能電池技術(shù)的巨大潛力。”

“一切都做好了，因?yàn)椴捎昧艘环N成本非常低的濕法涂層工藝(wet-coatingprocess)，”楊陽說。“由于這個(gè)工藝可以兼容當(dāng)前的制造技術(shù)，我預(yù)計(jì)，這一技術(shù)會(huì)在商業(yè)上具有可行性，就在不久的將來。”

這項(xiàng)研究開辟了一個(gè)新的方向，高分子化學(xué)家可以追求設(shè)計(jì)新材料，用于串聯(lián)聚合物太陽能電池。此外，它標(biāo)志著重要的一步，是邁向商用聚合物太陽能電池。楊陽說，他的小組希望達(dá)到15%的效率，就在未來幾年。

這項(xiàng)研究資金來自美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)，美國(guó)空軍特種科研辦公室，海軍研究辦公室和美國(guó)能源部，美國(guó)國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室。