中科院宁波材料所方俊锋：要让新型太阳能电池更高效稳定
时间:2018-07-22 22:56来源:浙江在线 作者:曾杨希
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方俊锋
为了解决日益严重的能源和环境问题，人们把目光投向了清洁可再生太阳能的开发和利用上。近年来，有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池的能量转化效率不断攀升，应用前景良好，吸引了众多科研工作者的关注。和常见的晶硅类太阳能电池相比，他们具有成本低、制备工艺简单等特点，在应用上还具有柔性、轻薄、便携等优势，但是，效率和稳定性却是它们的不足之处。
方俊锋团队制备的钙钛矿太阳能电池 资料图
如何解决这个问题？在浙江省自然科学基金“杰出青年项目”的支持下，通过三年多的研究，中科院宁波材料所研究员方俊锋博士提出了一个解决方案，采用廉价的有机类材料作为界面修饰材料，在提高电池器件效率的同时，可显著提高其稳定性。
想象一块太阳能电池板，其构成由金属电极、界面层、吸光层等层面组成。一般而言，界面层位于吸光层和金属电极之间，对太阳能电池的效率和稳定性具有十分重要的作用。
在提升有机太阳能电池性能的研究中，在界面层材料的选择上，方俊锋采用了一种名为乙二胺四乙酸（EDTA）衍生物的材料，代替常用的复杂界面材料。方俊锋说：“这是一种在分析化学中常用的廉价试剂，结果表明，它的使用可让器件性能同样优异，而且稳定性也大为提升。”
在钙钛矿太阳能电池的研究中，方俊锋主要从在空穴/电子传输材料着手，提升电池效率与稳定性。
钛矿太阳能电池的光电转换原理 示意图
要了解读懂这份研究成果，首先要了解钙钛矿太阳能电池的光电转换原理。
钙钛矿太阳能电池由导电电极、钙钛矿吸光层、电荷（电子和空穴）传输层组成。当太阳光入射到电池吸光层后随即被吸收，光子的能量将原来束缚在原子核周围的电子激发。由于物质整体上必须保持电中性，电子被激发后就会同时产生一个额外的带正电的对应物，物理学上将其叫做空穴。这样的一个“电子--空穴对”就是科学家们常说的“激子”。
激子产生 示意图
激子被分离成电子与空穴后，分别流向电池的阴极和阳极。带负电的电子经过电子传输层到阴极。带正电的空穴经空穴传输层，最终到达阳极。在外电路负载的情况下，电子和空穴复合形成回路，完成电能输运。
传统的晶硅太阳能电池光电转换效率大约介于23%至25%之间。在研究中，方俊锋团队采用一种有机材料——具有羧基极性基团的聚噻吩衍生物（P3CT）作为空穴传输层，可实现16%以上的光伏转换效率。方俊锋说：“在研究中，我们发现极性羧基的引入让钙钛矿溶液在空穴传输层上更容易铺展，通过抗衡离子调控使得空穴传输层界面薄膜更加均匀，效率可从16%进一步提高到19%以上。”
基于P3CT这种空穴传输层的器件 示意图
方俊锋说：“基于P3CT这种空穴传输层的器件，我们进一步实现了水氧、热、全光谱光照且持续负载等条件下，器件稳定性的大幅提升。这也证明了有机类材料可在电极界面及晶体界面发挥的巨大作用。”
就有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池而言，从实验室到实际应用，还有一段较长的路要走。但通过科研人员的不断努力，无论是有机电池还是钙钛矿太阳能电池，未来都将更加光明。方俊锋说：“由于轻薄、柔性、可折叠等特点，它们可以贴在玻璃上，安装在汽车车顶，甚至能做成窗帘，在日常生活中还可以为便携式电子设备提供户外充电。一旦其高效率下的稳定性问题得到解决，未来将对社会产生巨大的影响。我们会沿着这条路继续走下去。”
(责任编辑：王杰)
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