有機(jī)太陽能電池解析

太陽的光線出現(xiàn)在生活中的每一個地方，人們的生活已經(jīng)離不開太陽，太陽能不僅為植物生長提供光源，而且也能為人類提供能源，現(xiàn)在的光伏發(fā)電就是很大程度上利用了太陽能。溶液處理的半導(dǎo)體，包括鈣鈦礦和量子點等材料(即，在量子尺寸范圍內(nèi)的小顆粒)，是電導(dǎo)率介于絕緣體和大多數(shù)金屬之間的物質(zhì)。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種類型的半導(dǎo)體對于開發(fā)性能良好且制造成本低的新型光電子器件特別有前途。最近，一些研究強(qiáng)調(diào)了通過結(jié)合膠體量子點(CQD)，可以收集紅外光子的納米粒子和有機(jī)發(fā)色團(tuán)(吸收可見光光子并賦予分子顏色的分子部分)來制造半導(dǎo)體的優(yōu)勢。盡管如此，到目前為止，由于不同組分之間的化學(xué)不匹配以及在實現(xiàn)電荷收集方面的挑戰(zhàn)，基于CQD和發(fā)色團(tuán)的混合光伏僅實現(xiàn)了低于10%的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。

多倫多大學(xué)和韓國KAIST的研究人員最近開發(fā)了一種混合體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)通過將小分子引入CQD /有機(jī)堆疊結(jié)構(gòu)中而克服了這些限制。Se-Woong Baek表示：“ 這項研究的第一個挑戰(zhàn)是將膠體量子點CQD的寬光吸收帶的優(yōu)勢與有機(jī)分子的強(qiáng)(但較窄)吸收系數(shù)相結(jié)合，以創(chuàng)建更高性能的光伏平臺。”

研究人員從大約二十年前在伯克利國家實驗室的研究小組進(jìn)行的一項研究中汲取了靈感，該研究表明了使用半導(dǎo)體納米棒和聚合物制造混合太陽能電池的潛力。盡管伯克利實驗室的團(tuán)隊和其他幾個團(tuán)隊試圖將有機(jī)分子與膠體量子點CQD結(jié)合起來，但是Baek和他的同事們認(rèn)為這很難實現(xiàn)，因為其混合架構(gòu)所實現(xiàn)的器件性能低于典型的有機(jī)或僅膠體量子點CQD的半導(dǎo)體。因此，他們著手進(jìn)一步研究膠體量子點CQD /有機(jī)半導(dǎo)體的潛力，試圖克服以前開發(fā)的體系結(jié)構(gòu)的局限性。

為了使太陽能電池性能良好，它們應(yīng)該能夠最大程度地吸收光并將其有效地轉(zhuǎn)換為電流。Baek和他的同事開發(fā)的混合太陽能電池有一個小分子橋，可補(bǔ)充膠體量子點CQD吸收，進(jìn)而與主體聚合物形成一個激子級聯(lián)。與其他混合架構(gòu)相比，這導(dǎo)致了更有效的能量傳輸。

Baek解釋說：“我們開發(fā)的結(jié)構(gòu)可以通過一個附加的有機(jī)層實現(xiàn)高的光收集效率，該有機(jī)層的背面具有很強(qiáng)的吸收系數(shù)，而CQD在其正面附近具有一次寬帶吸收。” “所得太陽能電池的最大優(yōu)勢在于，它們使我們能夠通過調(diào)整CQD的大小并將其與合適的有機(jī)分子結(jié)合來編程CQD的光響應(yīng)。”

與其他類型的混合太陽能電池相比，Baek和他的同事開發(fā)的太陽能電池獨特的結(jié)構(gòu)允許在編程功能方面具有更大的自由度。另外，它允許太陽能電池在更長的連續(xù)操作周期內(nèi)保持良好的效率。

Baek說：“以前的許多研究都報道了通過CQD和聚合物的結(jié)合，吸收率很高，但由于電荷提取效率低，它們的性能較差。” “通過將第三種成分(小分子橋)引入CQD /聚合物雜化結(jié)構(gòu)，我們揭示了促進(jìn)電荷提取和吸收從而改善PCE的潛在機(jī)理。“

將來，這些太陽能電池可用于制造既使用量子點又使用發(fā)色團(tuán)的光伏面板，但其效率要高于先前開發(fā)的混合體系結(jié)構(gòu)中觀察到的效率。到目前為止，他們提出的CQD有機(jī)結(jié)構(gòu)具有高達(dá)1100納米的吸收帶。因此，在他們的下一個研究中，他們希望調(diào)整結(jié)構(gòu)或開發(fā)其他混合結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)更寬的吸收帶。

“最終，該結(jié)構(gòu)可以與實際的高帶隙的鈣鈦礦組合太陽能電池，例如，通過設(shè)計一個后電池平臺為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其能夠增強(qiáng)吸收的近紅外波段，其中鈣鈦礦不吸收的，Baek說。從理論上講，當(dāng)我們將混合結(jié)構(gòu)作為串聯(lián)結(jié)構(gòu)的后電池時，鈣鈦礦太陽能電池的效率可以提高15%。”如果某一天人們能高效利用太陽能，相信能解決很大的能源問題，畢竟太陽能是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的，能保證人類的永續(xù)發(fā)展，需要我們科研人員更加努力。