半透明太陽(yáng)能智能窗誕生工作三十年仍保持百分之八十的性能！或是目前壽命最長(zhǎng)的有機(jī)太陽(yáng)能電池

近日，密歇根大學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江大學(xué)和天津大學(xué)，聯(lián)合開(kāi)發(fā)一種光伏電池，該電池可用于制造太陽(yáng)能窗戶。這種耐用的設(shè)計(jì)，給太陽(yáng)能窗戶商業(yè)化帶來(lái)了重要突破。

康奈爾大學(xué)能源系統(tǒng)工程系終身講席教授尤峰崎表示： “ 該研究提出了壽命可達(dá)30年的半透明太陽(yáng)能電池，同時(shí)還可將光電轉(zhuǎn)換效率保持在10%左右。這應(yīng)該是目前為止壽命最長(zhǎng)的高效率半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池?！?/p>

據(jù)研究人員介紹，這種電池在55攝氏度的溫度下運(yùn)行1900小時(shí)后，仍能保持80%的電池性能。光伏電池的透明度為40%，未來(lái)他們有信心實(shí)現(xiàn)60%的透明度。

相關(guān)論文以《非富勒烯受體有機(jī)光伏具有超過(guò)30年的潛在運(yùn)行壽命》為題，發(fā)表在《自然通訊》上。

研究人員估計(jì)，以美國(guó)為例如果這種材料能覆蓋美國(guó)70億平方米左右的玻璃表面，那么它可以滿足美國(guó)40%的能源需求。

此次論文的通訊作者、密歇根大學(xué)電氣工程專業(yè)的斯蒂芬· 福雷斯特教授告訴媒體：“太陽(yáng)能大概是自工業(yè)革命以來(lái)人類生產(chǎn)的最便宜的能源形式。在窗戶上使用這些設(shè)備，你的建筑就變成了發(fā)電廠?！?p>

尤峰崎分析稱：“足夠透光又同時(shí)能發(fā)電的智能窗戶是有機(jī)光電領(lǐng)域近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。30年的使用壽命基本上和常用硅基太陽(yáng)能電池差不多，但硅基太陽(yáng)能電池基本上不透光也一般沒(méi)法作為窗戶使用?！?/p>

他繼續(xù)表示：“該研究的結(jié)果也表明這種新型太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性也比較強(qiáng)。如果將來(lái)能將這種太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換率不斷提升到15%以上， 同時(shí)提高它的透明度到至少60%，應(yīng)用前景應(yīng)該非常廣闊。”

終極難題之一：如何對(duì)抗紫外線？

據(jù)了解， 透明有機(jī)太陽(yáng)能電池最早于2017年問(wèn)世。當(dāng)時(shí)該團(tuán)隊(duì)表示，如果使用的材料能適應(yīng)紫外線和近紅外波長(zhǎng)，那么這些波長(zhǎng)的光就能在電池中被轉(zhuǎn)化成電能。

那時(shí)，研究人員就預(yù)測(cè)稱：“高度透明的太陽(yáng)能電池引領(lǐng)了未來(lái)新能源應(yīng)用的浪潮?！辈⒈硎荆骸拔覀兎治隽怂鼈兊臐摿Γl(fā)現(xiàn)通過(guò)收集不可見(jiàn)的光，這些設(shè)備可擁有類似屋頂太陽(yáng)能的供電能力，同時(shí)它還能提供額外的功能，以提高建筑、汽車和移動(dòng)電子設(shè)備的工作效率。”

近年來(lái)，有機(jī)光伏電池的重量輕、高靈活、成本低、環(huán)境友好等特點(diǎn)，引起了人們的廣泛關(guān)注。

與現(xiàn)有的太陽(yáng)能技術(shù)不同，有機(jī)光伏電池的主要使用場(chǎng)景是光伏窗戶，由于它的近紅外吸收程度很高，同時(shí)還能保持半透明，并能在可見(jiàn)光中顯示出中性密度。

但是，受到階梯型非富勒烯受體影響，不透明電池單元中的有機(jī)光伏電池功率轉(zhuǎn)化率為18%，可見(jiàn)透明度為50%的半透明單元中的轉(zhuǎn)化率為10%。

盡管有研究表明，在發(fā)光二極管（LED）的照明下，基于非富勒烯受體的太陽(yáng)能電池能達(dá)到較長(zhǎng)的運(yùn)行壽命。但不幸的是，當(dāng)處于大量紫外線、紅外線和高工作溫度中等惡劣環(huán)境中，這種電池的長(zhǎng)期使用能力尚未得到認(rèn)可。

此外，在同一個(gè)非富勒烯受體太陽(yáng)能電池中，尚未同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率和長(zhǎng)壽命。這讓很多人以為，較短的工作壽命是這類電池的固有缺點(diǎn)。

事實(shí)上，與有機(jī)光伏電池相關(guān)的普遍誤解是，這些材料在短期內(nèi)很容易受到體異質(zhì)結(jié)（BHJ，bulk heterojunction，即兩種不同半導(dǎo)體混合形成的結(jié)構(gòu)） 中的降解和形態(tài)不穩(wěn)定性的影響。

然而，上述認(rèn)知有可能被推翻，此前有科學(xué)家預(yù)測(cè)稱，一套熱蒸發(fā)富勒烯基材料系統(tǒng)大約有2.7萬(wàn)年的使用壽命，這為有機(jī)光伏電池提供了概念驗(yàn)證，證明它或許具備特殊的運(yùn)行壽命。

與采用具有高鍵解離能的C70受體的高度穩(wěn)定器件相比，最有效的非富勒烯受體，包含多個(gè)具有相對(duì)較弱化學(xué)鍵的噻吩單元，在高紫外線和紅外線的光強(qiáng)度下，這些化學(xué)鍵會(huì)解離。

因此，基于非富勒烯受體的溶液處理系統(tǒng)的降解機(jī)制，仍是一個(gè)待解決的難題。除了活性體異質(zhì)結(jié)在材料和形態(tài)方面的變化之外，有機(jī)/電極界面的特性也會(huì)隨著時(shí)間的推移，而讓電池性能受到影響。

盡管科學(xué)家們已經(jīng)研究出修改材料界面來(lái)抑制降解的策略，但研究人員在論文中表示，在模擬大氣質(zhì)量（AM）1.5G輻射下，長(zhǎng)期穩(wěn)定的非富勒烯受體太陽(yáng)能電池尚未實(shí)現(xiàn)。

導(dǎo)致這些高性能非富勒烯受體系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因仍不清楚，但這也激勵(lì)著該團(tuán)隊(duì)去研究材料、薄膜形態(tài)、器件結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性，以及它們與非富勒烯受體太陽(yáng)能電池可靠性之間的關(guān)系。

研究后他們發(fā)現(xiàn)，溶液處理的原型單結(jié)太陽(yáng)能電池，具有與受體-供體-受體（A-D-A）型非富勒烯受體太陽(yáng)能電池相似的效率。他們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)用于光伏窗戶時(shí)，半透明有機(jī)光伏電池可實(shí)現(xiàn)高性能和低成本。

研究中，為了讓太陽(yáng)能電池用于光伏窗戶，研究人員將非富勒烯電池與聚合物PCE-10做為給體，并以具有“受體-供體-受體”結(jié)構(gòu)的近紅外吸收非富勒烯材料為受體，設(shè)計(jì)出了新電池。

盡管太陽(yáng)能電池由包括含硫的非富勒烯受體構(gòu)成， 并且發(fā)電效率與硅相當(dāng)可達(dá)到18%，但它們的使用壽命很短。

論文第一作者、密歇根大學(xué)電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的助理研究科學(xué)家YongxiLi也告訴媒體，非富勒烯受體的轉(zhuǎn)化效率非常高，但缺點(diǎn)是它里面的弱鍵很容易在紫外線下被分解，特別是在陽(yáng)光中常見(jiàn)的紫外線光子。也就是說(shuō)，紫外線光子會(huì)影響設(shè)備的耐久性。

因此，該團(tuán)隊(duì)面臨的挑戰(zhàn)是防止這些高發(fā)電效率的材料，在使用之后被紫外線迅速降解，只有這樣才能將光能產(chǎn)生的電子、移動(dòng)到電極的分子中。

給玻璃涂一層“防曬霜”

為解決這一問(wèn)題，研究人員首先需要防止紫外線光子撞擊電池。因此，他們給朝向太陽(yáng)的玻璃面上鍍了一層氧化鋅（ZnO）保護(hù)罩，這等于給玻璃涂一層“防曬霜”。

其中，氧化鋅層是從氧化鋅前驅(qū)體溶液中，以自旋形式澆鑄到基底上，然后在150攝氏度的空氣中熱退火30分鐘而形成。

據(jù)介紹，這層氧化鋅可將太陽(yáng)能產(chǎn)生的電子傳導(dǎo)到電極上，從而減輕紫外線光子對(duì)電池的損傷。此外， 由富勒烯材料制成的C70——即由70個(gè)碳原子組成的球形小分子層，則被用于電子和空穴的傳輸層界面。

與此同時(shí)， 盡管靠近吸光區(qū)域的氧化鋅， 有助于把太陽(yáng)能產(chǎn)生的電子帶到電極上。然而，這也破壞了脆弱的活性層，所以研究人員又研發(fā)出一種名為IC-SAM緩沖層的碳基材料。

隨著時(shí)間的推移，緩沖層可防止有機(jī)/無(wú)機(jī)界面發(fā)生化學(xué)變化和形態(tài)變化，當(dāng)把緩沖層插入本體異質(zhì)結(jié)和電荷傳輸層之間，接觸界面的穩(wěn)定性即可得以提高。每一個(gè)小電池都在充滿高純氮?dú)獾氖痔紫渲斜环庋b。

接下來(lái)，研究人員測(cè)試了太陽(yáng)能電池的性能，在55攝氏度和AM1 .5G輻射度的環(huán)境里，電池工作1900小時(shí)后，僅失去了6%的性能。最終測(cè)試結(jié)果表明， 電池在持續(xù)工作30年后，大概率仍能保持出廠時(shí)80%的性能。

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，未來(lái)可以進(jìn)一步提高電池的透光率并且實(shí)現(xiàn)15%的轉(zhuǎn)換效率。概括來(lái)說(shuō)該研究表明，基于非富勒烯受體的太陽(yáng)能電池，除具有高效率和低成本的優(yōu)點(diǎn)外，還有望滿足市場(chǎng)對(duì)高可靠性的需求。 （ 摘自美《深科技》）（編輯/克珂）