有機光伏電池的室內(nèi)光解析

在現(xiàn)在的生活中，太陽能產(chǎn)品處處可見，人們用太陽能煮飯，還有太陽能熱水器等等，無處不見太陽能產(chǎn)品，當然，最重要的還是太陽能發(fā)電，但是目前的技術并不能讓人們很好利用太陽能發(fā)電。光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率、壽命和成本是決定其是否具有應用價值的重要指標。由于傳統(tǒng)晶硅電池在大規(guī)模發(fā)電方面具有巨大優(yōu)勢，因此新型光伏技術走向產(chǎn)業(yè)化，必須依據(jù)其技術特征尋求最具競爭力的應用方向。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，各類分布式微電子產(chǎn)品得到了廣泛應用。傳統(tǒng)晶硅電池無法滿足電子產(chǎn)品的應用需求，其在室內(nèi)光照條件下的光伏效率僅有2-6%，其主要原因是吸收光譜嚴重失配、且在低載流子密度下存在嚴重電荷復合效應。因此，領域內(nèi)亟待發(fā)展可滿足微電子產(chǎn)品應用需求的新型光伏電池。

最近，在國家自然科學基金委和中國科學院的支持下，中科院化學研究所高分子物理與化學實驗室侯劍輝團隊深入研究并發(fā)展了有機光伏電池在室內(nèi)光下的應用。該團隊設計合成了新型非富勒烯受體IO-4Cl，與聚合物給體PBDB-TF混合，獲得了吸收光譜與室內(nèi)光源相匹配的光活性層。使用2700 K的LED燈作為光源，在1000 lux輻照強度下，1 cm2電池的開路電壓達到1.10V，實現(xiàn)了26.1%的能量轉(zhuǎn)換效率。

研究結(jié)果證明該OPV電池在室內(nèi)光下不僅具有高的光伏效率和優(yōu)異的穩(wěn)定性，而且對于串聯(lián)電阻和活性層厚度不敏感。如：在室內(nèi)光源連續(xù)照射1000小時后，電池仍保持其初始的光伏性能;使用大面積涂布方法制備的4 cm2電池依然可以實現(xiàn)23%以上的光伏效率。該團隊與瑞典林雪平大學教授高峰團隊密切合作，揭示了這類電池在降低能量損失方面的獨特優(yōu)勢，并對其極限效率進行了合理預測。

結(jié)果表明，OPV電池在室內(nèi)光下的極限光伏效率可達50%，這意味著當前取得的光伏效率仍然存在巨大的提升空間。相關研究工作發(fā)表在近期的《自然-能源》(Nature Energy)上(Nat. Energy, 2019, 4, 768)。通訊作者為侯劍輝和高峰，第一作者是崔勇。

圖：(a)光伏電池應用的決定因素;(b)熒光燈、LED燈和太陽的發(fā)射光譜;(c)PBDB-TF和IO-4Cl的吸收光譜;(d)給體材料PBDB-TF和受體材料IO-4Cl制備的器件在室內(nèi)光下的穩(wěn)定性;(e)刮涂大面積器件的J-V曲線;(f)LED燈下的效率預測圖。太陽能雖然可以產(chǎn)生很大能量，但是現(xiàn)在的技術還不足以保證人類所有的運轉(zhuǎn)，這就需要我們保護能源，從自己做起，從身邊的點滴做起，節(jié)約能源，是我們?nèi)祟惷恳粋€人應盡的責任。