有機(jī)太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率取得重大突破

大家好，小科來為大家解答以上問題。有機(jī)太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率取得重大突破這個(gè)很多人還不知道，現(xiàn)在讓我們一起來看看吧！

1、由于實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)，發(fā)展緩慢的有機(jī)太陽能電池產(chǎn)業(yè)終于迎來轉(zhuǎn)機(jī)，其能量轉(zhuǎn)換效率取得重大突破。

2、這個(gè)突破來自于電子在富勒烯層(俗稱“巴基球”)中運(yùn)動(dòng)的過程。

3、密歇根大學(xué)的科學(xué)家在對(duì)有機(jī)太陽能電池架構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

4、當(dāng)時(shí)，研究人員在有機(jī)電池的發(fā)電層中加入了兩層富勒烯分子，光子在發(fā)電層中碰撞驅(qū)動(dòng)電子傳輸。

5、他們發(fā)現(xiàn)電子在富勒烯層中運(yùn)動(dòng)更自由，行進(jìn)更遠(yuǎn)，產(chǎn)生了“能量阱”(技術(shù)上稱為勢阱)，使電子無法逃逸。

6、這些電子在富勒烯分子層中傳輸時(shí)，傳輸距離可以達(dá)到幾厘米(目前的有機(jī)電池最多只能移動(dòng)幾百納米)，因此可以產(chǎn)生更大的電流。

7、為什么這個(gè)突破如此重要？

8、眾所周知，有機(jī)電池的導(dǎo)電性是很弱的，因?yàn)橛袡C(jī)材料的分子之間有很多松散的鍵。

9、分子之間沒有高效的傳導(dǎo)線，所以電子經(jīng)常被困住，最多只能移動(dòng)幾百納米。

10、對(duì)于有機(jī)太陽能電池來說，電子的捕獲是限制電子移動(dòng)距離的主要障礙。

11、如果電子能不受阻礙地自由移動(dòng)，它們就能走得更遠(yuǎn)。

12、所有太陽能電池都是如此，但有機(jī)電池使電子的運(yùn)動(dòng)更具挑戰(zhàn)性。

13、因?yàn)殡娮釉诒徊东@之前沒有移動(dòng)足夠遠(yuǎn)，所以它們不能進(jìn)入電路。

14、這種障礙降低了電池的導(dǎo)電性，隨著自由流動(dòng)的電子越來越少，能量轉(zhuǎn)換效率也隨之降低。

15、因此，由聚合物等非金屬半導(dǎo)體組成的有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率最高只有13.1%。

16、這個(gè)效率水平和硅基無機(jī)太陽能電池根本沒法比。后者的能量轉(zhuǎn)換效率為26.6%，目前已廣泛應(yīng)用于太陽能電池板。

17、然而，有機(jī)太陽能電池的一些優(yōu)點(diǎn)使其值得進(jìn)一步研究。

18、例如，除了通過使用更簡單的聚合物加工技術(shù)降低成本的潛力之外，有機(jī)太陽能電池更薄、更柔韌、更透明。

19、這些特性對(duì)于有效地將太陽光轉(zhuǎn)化為電能非常重要。

20、此外，當(dāng)建造凈零能耗建筑(NZEB)或改造現(xiàn)有結(jié)構(gòu)以提高能源效率時(shí)，公司可以將有機(jī)太陽能電池集成到結(jié)構(gòu)本身，如屋頂和墻壁。

21、在這些地方，笨重且不靈活的硅基無機(jī)太陽能電池既不實(shí)用也不可行。

22、此外，這些有機(jī)太陽能電池還具有其他優(yōu)點(diǎn)，例如它們具有多種顏色和配置，并且具有更好的美學(xué)效果。

23、電導(dǎo)率的突破

24、顯然，我們需要找到一些方法來充分發(fā)揮有機(jī)太陽能電池的潛力，而電導(dǎo)率的突破是關(guān)鍵點(diǎn)。

25、根據(jù)密歇根大學(xué)題為《Semiconductor Breakthrough May Be a Game-Changer for Organic Solar Cells》的文章，研究人員在有機(jī)太陽能電池的發(fā)電層上添加了富勒烯分子層，光子撞擊發(fā)電層驅(qū)動(dòng)電子傳輸。

26、他們使用一種稱為“真空熱蒸發(fā)”的普通技術(shù)來分層C60富勒烯，每層由60個(gè)碳原子組成。

27、他們發(fā)現(xiàn)電子可以在富勒烯層中自由移動(dòng)，而不是被困在有機(jī)分子之間的松散鍵中。

28、有趣的是，富勒烯因其可變的雜化狀態(tài)、再雜化能力和彎曲的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而被認(rèn)為是一種優(yōu)秀的受體分子。

29、(值得注意的是，自從富勒烯在太陽能電池中的應(yīng)用被發(fā)現(xiàn)后，出現(xiàn)了一種新型的高效太陽能電池，現(xiàn)在被稱為非富勒烯受體(NFA)有機(jī)太陽能電池。

30、它具有與富勒烯相似的電子接受特性，但顯然是一種非富勒烯分子。

31、富勒烯也是電子受限材料，其包含勢阱(即量子阱)。

32、電子一旦落入富勒烯分子的勢阱中，就很難出來。

33、通過使用嵌入在富勒烯層中的電子阻擋層，可以防止任何電子離開并與空穴復(fù)合以形成額外的障礙。

34、電子影響勢阱外區(qū)域的唯一方式是通過電子隧穿。

35、如果量子阱并排放置，即富勒烯分子可以在一層中彼此相鄰，那么就可以形成所謂的“超晶格”。

36、如果量子阱之間的距離小于電子隧穿波函數(shù)的范圍，那么電子波長就可以重疊并連接勢阱，這樣電子(和電流)就可以流動(dòng)。

37、因此，通過在富勒烯層中捕獲電子，分子之間非常接近的勢阱允許電子不受阻礙地流動(dòng)，而沒有被捕獲的風(fēng)險(xiǎn)。

38、同樣，由于電子可以自由移動(dòng)，無法與發(fā)電層中的空穴復(fù)合，因此電子可以移動(dòng)得更遠(yuǎn)，達(dá)到幾厘米，而不僅僅是幾納米，從而產(chǎn)生更多的電流。

39、因此，如上所述，現(xiàn)在可以

40、最終，有機(jī)太陽能電池中具體的電流(和效率)增加情況取決于添加富勒烯之前與添加富勒烯之后相比，系統(tǒng)中流動(dòng)的電子數(shù)量。

對(duì)行業(yè)的影響

密歇根大學(xué)的研究人員承認(rèn)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)只是一個(gè)開始，還要做更多的工作來改善有機(jī)太陽能電池的設(shè)計(jì)，特別是要研究還有哪些有機(jī)材料能成為優(yōu)秀的電子導(dǎo)體。

43、密歇根大學(xué)的工程教授Stephen Forrest預(yù)計(jì)，開發(fā)一個(gè)主流的有機(jī)太陽能電池解決方案可能需要長達(dá)10年的時(shí)間。

不過，富勒烯的發(fā)現(xiàn)總算為有機(jī)材料用于制造高效、透明的太陽能電池鋪平了道路。

45、例如，太陽能電池制造商可以將太陽能電池的導(dǎo)電電極縮小成不可見的網(wǎng)格，并結(jié)合有機(jī)太陽能電池的其他特性，將有機(jī)材料層壓在任何物體表面上。

46、由于有機(jī)太陽能電池所用的聚合物加工成本較低，這些解決方案可以在各種應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)合理的價(jià)格。

47、不過也許這個(gè)發(fā)現(xiàn)所帶來的最大突破是，更多的發(fā)現(xiàn)會(huì)催生更多的進(jìn)步。

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