串聯(lián)太陽(yáng)能電池的多層結(jié)構(gòu)

在開發(fā)可再生能源的過(guò)程中，利用太陽(yáng)能產(chǎn)生電能的光伏電池是許多研究人員的關(guān)注對(duì)象，其中最熱門的則是尋找具有高光電轉(zhuǎn)換率的材料或結(jié)構(gòu)。如今，具有導(dǎo)電能力、能增加光吸收和轉(zhuǎn)換的有機(jī)高分子在光伏電池中的應(yīng)用讓人們看到了巨大潛力。研究人員認(rèn)為，有機(jī)高分子材料以其低成本、高產(chǎn)出的特性有望讓光伏電池變得廉價(jià)和輕便。

光電轉(zhuǎn)換效率由8.62%提高到10.6%

在過(guò)去數(shù)年間，人們?yōu)樘岣吖怆娹D(zhuǎn)化率進(jìn)行了大量細(xì)致和艱苦的研究工作，其中包括開發(fā)新材料、改進(jìn)光伏電池結(jié)構(gòu)和研發(fā)新加工技術(shù)。

在眾多的研究中，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校亨利·薩摩里工程和應(yīng)用科學(xué)院和加州納米系統(tǒng)研究所取得的成就引人注目。研究人員通過(guò)給光伏電池引入新的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，極大地提高了高分子太陽(yáng)能電池的性能。2011年7月，研究人員的光伏電池的光電轉(zhuǎn)化率被證實(shí)為8.62%，創(chuàng)造了世界最好水平。

在將日本住友化工提供的新型紅外吸收高分子材料用于光伏電池后，研究人員日前宣布，他們將串聯(lián)光伏電池的光電轉(zhuǎn)化率提高到了10.6%，該結(jié)果得到了美國(guó)能源部國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)可，成為新的世界紀(jì)錄。研究人員確信他們開發(fā)的串聯(lián)結(jié)構(gòu)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

在此次加州大學(xué)研究人員取得突破之前，串聯(lián)結(jié)構(gòu)光伏電池的性能始終低于單層光伏電池的性能，其主要原因是人們沒有尋找到合適的高分子材料。加州大學(xué)洛杉磯分校工程研究人員向人們展示的是高效單層串聯(lián)高分子光伏電池。大學(xué)材料科學(xué)和工程教授楊陽(yáng)（音譯）用雙層公共汽車，形象地解釋了新結(jié)構(gòu)光伏電池。他表示，普通公共汽車內(nèi)可容納相當(dāng)數(shù)量的乘客，如果再給其增加一層，那么在相同的空間則可搭載更多的乘客，而這正是串聯(lián)高分子光伏電池實(shí)現(xiàn)高效率的原因。

串聯(lián)結(jié)構(gòu)可吸收更多光譜的太陽(yáng)光

據(jù)悉，串聯(lián)結(jié)構(gòu)由不同吸收光譜帶的兩塊電池所組成，其獨(dú)特之處在于它具有專門設(shè)計(jì)來(lái)構(gòu)成串聯(lián)結(jié)構(gòu)的低頻帶隙共軛高分子材料，頻帶隙決定著高分子吸收太陽(yáng)光譜的波段。借助擁有不同光譜吸收帶的雙電池結(jié)構(gòu)，串聯(lián)光伏電池為收獲太陽(yáng)輻射中更寬的光譜提供了有效的途徑。然而，簡(jiǎn)單地將兩塊電池組合起來(lái)并不會(huì)自然提高效率。研究人員表示，為有效地獲取光能，用于串聯(lián)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換材料之間必須相匹配。

在實(shí)際研究中，為實(shí)現(xiàn)更有效利用太陽(yáng)輻射的目的，楊陽(yáng)所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組將具有光譜吸收互補(bǔ)性的多片感光層組合起來(lái)，構(gòu)成了串聯(lián)高分子光伏電池。他們的串聯(lián)結(jié)構(gòu)包括具有較高光譜帶寬的前電池和具有較低光譜帶寬的后電池，兩電池用專門的夾層相連。

同單層光伏電池相比，串聯(lián)光伏電池在利用太陽(yáng)能方面更有效，尤其是它能最大程度地減少其他能量的損失。通過(guò)采用更多的太陽(yáng)光吸收層（每層吸收不同頻段的光譜），串聯(lián)光伏電池能夠維持電流并提高電壓。研究人員表示，這些因素導(dǎo)致光伏電池的效率獲得改善。

加州大學(xué)洛杉磯分校工程研究人員李剛（音譯）說(shuō)：“與研究單接點(diǎn)光伏電池結(jié)構(gòu)相比，我們?cè)谘芯看��?lián)光伏電池上花費(fèi)的時(shí)間要少許多。短時(shí)間內(nèi)能夠在提高光伏電池效率方面取得如此的成績(jī)，其向人們充分展示了串聯(lián)光伏電池技術(shù)的巨大潛力。”

楊陽(yáng)表示，同傳統(tǒng)的光伏電池生產(chǎn)相比，新的串聯(lián)光伏電池只需增加一項(xiàng)成本非常低的濕鍍膜工藝便可進(jìn)行制造。他認(rèn)為，由于增加的工藝與現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備相兼容，因此在不久的將來(lái)，該技術(shù)能夠得到商業(yè)化應(yīng)用。

有專家認(rèn)為，研究小組的工作為高分子化學(xué)家進(jìn)行串聯(lián)高分子光電電池新材料的設(shè)計(jì)提供了新的方向。與此同時(shí)，研究成果還代表著高分子光伏電池走向商業(yè)化的重要進(jìn)展。楊陽(yáng)他們希望在未來(lái)數(shù)年內(nèi)能將光電轉(zhuǎn)化率提高到15%。

研究小組的工作得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、空軍科學(xué)研究辦公室、海軍研究室和能源部的支持，國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室參與了研究。住友化工研究組負(fù)責(zé)人表示，太陽(yáng)光的頻譜非常寬，包括可見光以及不可見的紅外線和紫外線。公司很高興看到住友化工的低帶寬高分子在研究人員創(chuàng)造新的光電轉(zhuǎn)換效率世界紀(jì)錄方面有所貢獻(xiàn)。