能源問(wèn)題是人類(lèi)面臨的一個(gè)嚴峻問(wèn)題。取之不盡、用之不竭的太陽(yáng)能是清潔能源時(shí)代的寵兒。

太陽(yáng)能電池是把太陽(yáng)能轉化為電能的重要裝置，其光電轉化效率和穩定性成為業(yè)內關(guān)注的焦點(diǎn)。日前，澳大利亞昆士蘭大學(xué)教授王連洲課題組基于近些年在太陽(yáng)能電池、快充型儲能電池和集成型太陽(yáng)能充電電池領(lǐng)域的新探索，在《儲能材料》上發(fā)表了一篇題為《柔性太陽(yáng)能充電系統》的綜述。

在國內，中國科學(xué)院院士李永舫自2000年開(kāi)始從事共軛高分子轉入有機聚合物太陽(yáng)能電池的研究。他告訴《中國科學(xué)報》：“有機聚合物太陽(yáng)能電池與傳統硅基太陽(yáng)能電池相比，最大的特點(diǎn)是可以做成柔性和半透明，整體耗能低很多?！?/span>

尋找電池器件材料

20世紀50年代，太陽(yáng)能電池開(kāi)始興起并發(fā)展至今，現在應用比較普遍的是硅基太陽(yáng)能電池。此外，還有無(wú)機半導體薄膜太陽(yáng)能電池、染料敏化太陽(yáng)能電池、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、有機聚合物太陽(yáng)能電池等。

不同太陽(yáng)能電池結構不一樣，比如有機聚合物太陽(yáng)能電池的有機光敏帶由P型有機半導體(容易給出電子)構成的給體、N型半導體(容易接收電子)構成的受體組成，形成很薄的柔性活性層，在外電路接通下產(chǎn)生光電流。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池與有機聚合物太陽(yáng)能電池類(lèi)似，具有三明治結構，主要的不同在于光敏層，它是有機無(wú)機雜化構成的鈣鈦礦結構。

李永舫以硅基太陽(yáng)能電池為例介紹道，硅基太陽(yáng)能電池在生產(chǎn)過(guò)程中耗能較高，尤其是原材料的支配，以及硅要達到99.9999%純化，這個(gè)純化過(guò)程也需要耗能。

他說(shuō)：“硅基太陽(yáng)能電池要使用6～7年才能把生產(chǎn)過(guò)程中的耗能收回來(lái)，而有機聚合物太陽(yáng)能電池的能耗大概一年左右就可以收回，但存在穩定性問(wèn)題，導致使用壽命不長(cháng)，反觀(guān)硅基太陽(yáng)能電池使用壽命可達20年。

2017年，英國、意大利、西班牙等7個(gè)國家的15家企業(yè)研究機構組成歐洲Powerweave研發(fā)團隊，開(kāi)展基于染料敏化纖維材料太陽(yáng)能光伏電池技術(shù)和電能儲存纖維材料薄膜蓄電池技術(shù)的有機組合的原位集成技術(shù)研究。

來(lái)自中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員葛子義團隊發(fā)現，當前大多數有機太陽(yáng)能電池的研究結果都是基于剛性的氧化錫(ITO)玻璃基板。然而，ITO在塑料基板上存在導電性差和機械脆性等問(wèn)題，另外ITO通常在高溫下通過(guò)真空濺射進(jìn)行加工，這使得其價(jià)格昂貴，不利于采用大面積印刷和卷對卷來(lái)制備。

為此，葛子義團隊開(kāi)發(fā)了低溫酸處理PEDOT/PSS電極替代需要高溫濺射且昂貴的ITO電極。團隊稱(chēng)，這類(lèi)全溶液加工的柔性有機太陽(yáng)能電池非常符合卷對卷印刷和刮涂等大面積制備工藝的技術(shù)要求，為有機太陽(yáng)能電池低成本柔性化制備提供了重要的參考途徑。

提升光電轉換效率

記者獲悉，葛子義團隊利用全溶液加工技術(shù)，采用PBDB-T和IT-M非富勒烯活性層，制備了全濕法加工非ITO的單結柔性有機太陽(yáng)能電池，電池的能量轉換效率達到10.12%。

有機聚合物太陽(yáng)能電池的研究興起于20世紀60年代，當時(shí)的轉換效率非常低。李永舫最開(kāi)始研究有機聚合物太陽(yáng)能電池時(shí)由于條件不太好，效率也一直不高。2004年前后，李永舫團隊開(kāi)始思考如何提高材料的光電轉換效率。

“太陽(yáng)能轉化成電能，首先要求光伏材料對光有較寬和強的吸收，另外給體材料要有高的空穴遷移率，受體材料要有高的電子遷移率?！崩钣吏郴貞浀?，“我們當年選擇了富勒烯衍生物受體，其電子遷移率較高，隨后我們的關(guān)注點(diǎn)轉到給體材料?！?/span>

“我們那個(gè)時(shí)候就想到了共軛側鏈這個(gè)概念?！崩钣吏辰忉尩?，“由于共軛高峰的主鏈傳輸很快，有了共軛側鏈就像搭了座橋，使電荷在這條共軛側鏈上傳輸也比較快，提高空穴遷移率，進(jìn)而提升光伏性能?！?/span>

近年來(lái)，提升材料光電轉化效率已成為太陽(yáng)能電池的主流研究方向。南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授陳永勝在柔性透明電極與柔性有機太陽(yáng)能電池領(lǐng)域研究中發(fā)現，獲得高性能的柔性透明電極是研發(fā)高效柔性有機光電器件的前提，也是目前該領(lǐng)域的核心難題?！耙虼?，如何獲得同時(shí)具有高導電、高透光、低表面粗糙度以及制備方法簡(jiǎn)單、綠色的柔性透明電極，是一項巨大的挑戰?！?/span>

2019年11月，陳永勝團隊在《自然—電子學(xué)》發(fā)表文章，介紹了團隊制備出同時(shí)具有高導電、高透光且低表面粗糙度的銀納米線(xiàn)柔性透明電極，將其用于構筑柔性有機太陽(yáng)能電池，與使用商業(yè)氧化銦錫玻璃電極的器件性能相當，光電轉化效率可達16.5%，刷新了當時(shí)文獻報道的柔性有機/高分子太陽(yáng)能電池光電轉化效率的最高紀錄。

多領(lǐng)域的潛在應用

王連洲團隊在綜述文章里指出，由于太陽(yáng)光自身的強度不穩定性以及間歇性，促使該領(lǐng)域的科研人員進(jìn)一步探索光伏能源生成與儲存的集成系統，促進(jìn)了太陽(yáng)能充電儲能系統的發(fā)展。

南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院教授陳永華告訴《中國科學(xué)報》：“太陽(yáng)能充電儲能系統比較適合應用于物聯(lián)網(wǎng)和人機互動(dòng)等領(lǐng)域，前提是需要提升光電轉換和存儲效率?！贝饲?，陳永華團隊尋找并設計出能夠穩定鈣鈦礦結構的有機胺分子，制備出的層狀鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光電轉換效率得到明顯提升。

如今，太陽(yáng)能充電儲能系統已被廣泛研究并應用于智能電網(wǎng)、房屋能源供給、通勤電動(dòng)車(chē)輛、家用電子產(chǎn)品，以及便攜式可穿戴電子設備中。在設計新一代可穿戴便攜式能源設備尤其是太陽(yáng)能充電儲能系統時(shí)，王連洲團隊意識到，柔韌性及可便攜性是必須考慮的兩大關(guān)鍵指標。

王連洲團隊表示，相比于傳統的剛性器件，柔性薄膜太陽(yáng)能電池因低溫制備及易實(shí)現的面板安裝技術(shù)而大大降低了成本。此外，將柔性的薄膜光伏系統與儲能系統結合起來(lái)，不僅可以實(shí)現便攜可穿戴設備的無(wú)線(xiàn)充電，還可以極大地提高電池的工作時(shí)長(cháng)，實(shí)現更為廣泛、精細的應用。

中國科學(xué)院電工研究所副研究員原郭豐向《中國科學(xué)報》介紹道，柔性太陽(yáng)能光伏發(fā)電與儲存一體化技術(shù)，具有明顯的表面結構適應性強、易彎曲、重量輕、無(wú)需額外安裝費用等優(yōu)勢，可靈活應用于服飾、戶(hù)外裝備、建筑物、交通運輸工具、電子設備等需要遮陽(yáng)及復雜結構的物體外表面，也可以作為光伏發(fā)電儲存一體化系統進(jìn)行使用。

原郭豐還指出：“柔性太陽(yáng)能光伏發(fā)電與儲存一體化技術(shù)仍然面臨材料的制備及其穩定性、復雜條件下材料壽命、光電轉化效率、充放電效率、安全性以及成本等諸多問(wèn)題?！?/span>

（文章來(lái)源：中國科學(xué)網(wǎng)）