图片来源:Fly_and_Dive / Shutterstock.com
聚合物光伏材料由于其高度可调谐的光电特性以欧洲杯足球竞彩及通过低成本的解决方案加工方法形成柔性、大面积太阳能电池板的能力，作为一种清洁能源收集技术引起了广泛关注。聚合物基太阳能电池的关键问题之一是提高其能量转换效率和长期稳定性。
目前，太阳能被认为是水力发电、生物质能、风能等可再生能源中对经济影响最大的能源。
在过去的十年中，有机光伏(OPV)电池作为无机电池的替代品引起了广泛关注。
现代OPV技术非常适合高成本效益的卷对卷或印刷高吞吐量生产。轻型OPV在柔性基片上应用的可能性比传统无机太阳能电池具有优势。
尽管最近有报道称，实验室规模的OPV电池的功率转换效率(PCE)高达17%，但仍需要进行大量工作，以改善PCE、光谱吸光度范围和器件稳定性，以实现可行的大规模工业应用。
带有共轭原子键的导电有机分子
分子半导体是相对较小的有机分子，通常具有非重复结构。另一方面，聚合物半导体是由重复单体或两个或两个以上单体(共聚物)组成的链。
所有的电子有机材料，无论是单体还是聚合物，都包欧洲杯足球竞彩含一个“共轭”键的主链，这对实现分子的导电性至关重要。
共轭意味着聚合物的主链由碳原子之间交替的单键和双键组成。碳原子间坚固的单键称为定域σ键。相反，双键提供的局域π-键更弱、更弱，电子极化率更高。
有机材料作为无机欧洲杯足球竞彩半导体的替代品
然而，这些有机半导体的电导率相对较低。通过氧化(p掺杂)将一个电子从价带中除去，或通过还原(n掺杂)将一个电子添加到导电带中，会增加材料的导电性。掺杂过程中产生的电荷缺陷可以沿着聚合物的主链移动。
在这种有机半导体材料中，最高占据分子轨道(HOMOs)和最低未欧洲杯足球竞彩占据分子轨道(lumo)的能级分别类似于传统无机半导体的价带和导带。
在给体分子中光产生的电子从给体的LUMO转移到受体的LUMO。相反，受体分子中光产生的空穴从受体的HOMO转移到供体的HOMO。
OPV器件对PCE的重大限制来自于有机半导体内电荷载流子的扩散长度较短以及器件光活性层内的光吸收不足。有机半导体材料内部的低电荷迁移率要求活性层厚度为100 nm，导致光吸收效率低。欧洲杯足球竞彩
低成本太阳能电池的有机半导体
体积异质结(BHJ)概念的发展在20世纪的最后十年th，以及一系列能够有效吸收太阳光谱中紫外(UV)可见光部分的有机半导体材料，为OPV技术的显著改进铺平了道路。欧洲杯足球竞彩
在BHJ排列中，共轭给体聚合物和受体材料(通常是富勒烯衍生物)以良好控制的方式混合，以确保大的给体/受体界面接触面积和有效的电欧洲杯足球竞彩荷扩散。
将供体和受体分子紧密放置在一起，通常间距小于10纳米，可以减少所需的电荷扩散长度，低于电子-空穴对的平均自由路径长度(电子和空穴重组前的最小电荷扩散距离)。
具有BHJ结构的OPV器件受益于改进的电子/空穴对解离和电荷传输，提高了OPV器件的性能。
改进光吸收的三组分光活性层
日本广岛大学Itaru Osaka教授领导的一个研究小组最近开发了一种创新的OPV电池，该电池基于高结晶度半导体聚合物、富勒烯衍生物和光敏剂材料的三组分混合。
三种材料具有不同的波欧洲杯足球竞彩长吸收范围，构成单一光活性层，增强了光吸收，显著提高了功率转换效率。
该共混物由以噻吩和噻唑噻唑(PTzBT)为供体和富勒烯衍生物为受体的高结晶度半导体聚合物组成。这种组合可以制造出相对较厚的光活性层，最高可达360纳米，而不会对该层的载流子迁移率产生不利影响。
研究人员还发现，光活性层内的光吸收并不是随层厚线性增加的。相反，由于OPV电池的金属衬底(电极)上的光反射产生的光干涉效应，最大吸收发生在特定厚度处。因此，仔细控制光活性层厚度和形成更厚的混合层的能力对OPV电池的性能提高是必不可少的。
新型分子半导体拓宽了OPV电池的吸收范围
关键的一点是在光活性层中加入少量的分子半导体，称为ITIC，作为非富勒烯受体。
大阪直美教授的团队认为，作为OPV应用的电子受体，ITIC是新一代的小型电子接受有机分子，其性能优于富勒烯。独特的分子半导体表现出从可见光到近红外光谱的强吸收，峰值在700 nm，增加了OPV器件的总吸收。
光干扰有助于提高太阳能电池性能
令科学家惊讶的是，在OPV电池的光活性层中加入6%wt的ITIC，就可以极大地提高太阳能电池的效率，使得PCE超过10%，而在双光活性层(不含ITIC)中PCE为7.4%，提高了1.5倍。
结果表明，光干涉效应能增强敏化剂的吸收，对吸收额外的红波长光子起着重要作用。
尽管该器件的整体PCE目前仍然相对较低(约10%)，但有机半导体材料的敏化三元共混物显示出进一步提高OPV电池性能的非凡前景。欧洲杯足球竞彩
参考资料及进一步阅读
m .斋藤et al。(2020)显著敏化三元共混聚合物太阳能电池，含非常小含量的窄带隙第三组分，利用光学干涉。大分子, 53岁,10623 - 10635。可以在:https://dx.doi.org/10.1021/acs.macromol.0c01787
m .斋藤et al。，(2015)基于噻唑噻唑和萘双噻二唑共聚物的高效稳定太阳能电池。科学报告，5，14202.可以在:https://doi.org/10.1038/srep14202
广岛大学(2020)新型混合太阳能电池产生高功率转换效率。(在线)https://www.hiroshima-u.ac.jp可以在:https://www.hiroshima-u.ac.jp/en/laboratory-updates/news/61990(2021年1月19日生效)。
R. R. Rwenyagila，(2017)有机光伏能源及其技术设计综述。国际光能杂志，2017，1656512.可以在:https://doi.org/10.1155/2017/1656512
免责声明:本文仅代表作者以个人身份发表的观点，并不代表本网站所有者和运营商阿泽网络有限公司的观点。本免责声明构成条款和条件本网站之使用。