紐約大學(xué)研究團隊開發(fā)新型有機太陽能電池

上海紐約大學(xué)供稿 編輯/南溪

作為一種清潔電力能源，太陽能電池具有很大的潛力，但到目前為止，因其不夠廉價、輕便和靈活，尚未獲得廣泛使用。而現(xiàn)在，美國紐約大學(xué)坦登工程學(xué)院化學(xué)和生物分子工程系副教授André D. Taylor領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊，找到一種創(chuàng)新方法對太陽能電池加以改進(jìn)，有望擴大太陽能電池的應(yīng)用范圍。

大多數(shù)有機太陽能電池采用由碳組成的球型分子——富勒烯這一材料，但Taylor教授表示，富勒烯不僅價格昂貴，而且吸光性能差。過去十年里，Taylor教授在改進(jìn)有機太陽能電池方面取得重大進(jìn)展，近期專注于研究非富勒烯材料的使用，不過目前尚未取得大幅突破。但Taylor教授表示，“非富勒烯材料所取得的進(jìn)展，足以讓其和富勒烯一比高下。”

Taylor教授說，可以把太陽能電池想做是一個三明治。由電子供體和受體組成的“肉”層或活性層位于中間，作用是吸收太陽光并將其轉(zhuǎn)化為電（電子和空穴）；外層的“面包片”由電極組成，負(fù)責(zé)傳輸電流。Taylor教授團隊的目標(biāo)是，利用不同材料讓電池盡可能捕獲更大光譜范圍的陽光，并使這些不同材料有機協(xié)調(diào)。“我所領(lǐng)導(dǎo)的小組研究的是‘三明治’的關(guān)鍵部分，包括傳輸電子和空穴的‘面包’層，其他小組則專門研究‘肉’或其分夾層材料。我們現(xiàn)在面臨的問題是：怎樣協(xié)調(diào)這些不同的材料？讓這些材料恰當(dāng)配合在一起，難度是非常大的。”

然而，將方酸分子作為一種結(jié)晶劑的新方法可以解決這個問題。Taylor教授說，“我們添加了一種小分子，它本身就可以做為起電子供體，增強活性層的吸收。這種小分子可以促進(jìn)供體和受體聚合物（即PBDB-T）與非富勒烯受體ITIC的定向排列。”

這一太陽能電池結(jié)構(gòu)還使用了Taylor教授研究團隊首創(chuàng)的基于FRET的太陽能電池設(shè)計機制。FRET，即熒光共振能量轉(zhuǎn)移機制，是一種利用在自然光合作用中首次觀察到的能量轉(zhuǎn)移機制。通過使用一種新型聚合物以及非富勒烯材料和方酸分子的混合物作為結(jié)晶體，團隊創(chuàng)建了一個轉(zhuǎn)換效率超過10%的電池。而在幾年前，這對單結(jié)聚合物太陽能電池來說還是遙不可及的目標(biāo)。“新的聚合物非富勒烯系統(tǒng)，可以將轉(zhuǎn)化效率提到到13%以上，所以我們對這一系統(tǒng)的改進(jìn)是顯著的。”Taylor教授說。

Taylor教授的研究團隊開發(fā)的有機太陽能電池具有很大的靈活性，將來可用于包括電動車、可穿戴式電子設(shè)備及手機充電背包等各種設(shè)備，將對電力供應(yīng)方面做出巨大貢獻(xiàn)。“我們希望這種結(jié)晶劑方法，能吸引化學(xué)家和有機電子材料科學(xué)家的注意。”Taylor教授曾經(jīng)的研究生、發(fā)表于《今日材料》的研究論文的第一作者Yifan Zheng說。

研究團隊接下來的研究重點是什么？他們將繼續(xù)改進(jìn)非富勒烯材料有機太陽能電池，同時還在研究一種鈣鈦礦太陽能電池。