新的研究结果与关于低成本塑料制成的“有机”太阳能电池功能的基本假设相矛盾，这表明了制造廉价太阳能技术的新战略。
有机太阳能电池的商业化受到效率低下的阻碍，但研究结果指出了创造一种能够与标准硅电池竞争的新型太阳能技术的潜在途径。
“这些太阳能电池可以提供超过硅的巨大成本优势，”普渡大学的Jai N. Gupta电气和计算机工程教授Muhammad Ashraful Alam说。
塑料太阳能电池可以使用类似于报纸印刷的卷对卷工艺制造。
“这是过去20 - 25年的希望，”化学工程助理教授布莱恩·布杜里斯说。
由于有机太阳能电池具有灵活性，因此可以找到不适合刚性硅电池的新应用，例如集成到建筑物中的光伏电池，并且它们具有比硅器件更低成本和更低能耗的潜力。然而，一个关键的瓶颈阻碍了有机太阳能电池的开发，其效率足以与硅太阳能技术竞争。
“现在看来，没有任何根本原因导致有机电池的效率低于硅，”阿拉姆说。
本周(8月17日)在美国国家科学院院刊上发表的一篇研究论文中详细介绍了研究结果。这项工作由毕业后的前博士生Biswajit Ray带头。
“Biswajit有勇气，信念和坚持不懈地进行一系列艰难的实验，并在博士生Aditya Baradwaj和Ryyan Khan的各个阶段得到了很好的支持，”Alam说。
该论文由Ray，Baradwaj，Khan，Boudouris和Alam撰写。
更高效的有机太阳能电池的主要瓶颈源于有机光伏技术的基本工作原理。当用光照射半导体材料时，电子从一个能级移动到另一个能级。由于原子结构，半导体中的电子占据称为“价带”的能量区域，而材料处于黑暗中。但是，在材料上照射光会使电子吸收能量，将它们提升到一个称为“导带”的更高能量区域。随着电子移动到导带，它们在价带中留下“空穴”，在称为激子的塑料太阳能电池中产生所谓的电子 - 空穴对。
“由于电子带负电，孔带正电，它们彼此非常相似，以至于彼此绕轨道运行，”雷说。“你必须将这两者分开，否则它们会重新组合，你不会产生电流。”
通过插入称为体异质结的许多结构来维持这种“电荷分离”，这种设计一直是以高速，大规模和可再现的方式制造的挑战。
“你可以认为这些异质结几乎就像刀具切割材料以分离电子和空穴，”阿拉姆说。“这些异质结必须分布在各处，这样无论电子 - 空穴对产生在哪里，都可以切割它们。”
这一要求限制了有机太阳能电池的效率，这是二十多年前研究所确立的瓶颈。然而，Ray通过详细的计算建模表明，关于有机太阳能电池的基本假设是不正确的，消除了对异质结的需要。
“他一直说他不需要调用激子来解释许多实验结果，”阿拉姆说。“事实证明原来的实验被误解了。”
这种误解源于有机细胞的设计。电池具有两个金属触点，一个在顶部，一个在器件的底部，并且每个都由不同类型的金属制成。由于这种配置，入射的太阳光产生集中在电池底部的电场，这允许电子 - 空穴对容易地重新结合。Ray建议翻转触点，使电场形成在电池顶部而不是底部，从而实现更好的电荷分离。
“他颠倒了结构，并解释说效率低下正在发生，因为电子 - 空穴对并没有保持分离，”阿拉姆说。
模拟显示翻转配置允许更好的电荷分离和更高的效率，然后Ray，Baradwaj和Khan的实验室实验验证了新概念。
Ray表示，研究结果还表明，有机太阳能电池的设计可以简化，这是一项重大的潜在创新。传统的有机太阳能电池是通过混合两种聚合物制成的，而新设计只需要一种聚合物。
“目前，你必须根据两种有机材料混合在一起的方式来设计太阳能电池，以产生这些众多的异质结，”Boudouris说。“但如果你只需要一个聚合物而不是两个聚合物，那么大规模的可制造性可以得到很大改善，所以这是一个令人兴奋的发展。”
Alam表示，研究结果还表明，用更纯净的聚合物生产细胞可以产生更高效的太阳能电池，这项研究可能会让人更好地了解有机太阳能电池的运行方式。
大部分实验工作是在普渡大学太阳能利用实验室进行的，该实验室由国家科学基金会资助，该实验室允许来自不同领域的专家进行合作。该研究正在进行中，Khan将继续研究一种不需要体异质结的新型太阳能电池。
免责声明：本文由用户上传，如有侵权请联系删除！