荷兰研发新型有机太阳能电池 有望代替传统型

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來源:大纪元


荷兰格罗宁根大学发明一种光电转换效率超过17%的有机太阳能电池，且不容易损毁，有望代替传统的太阳能电池。图为索尼2008年在生态风格博览会上展示的有机太阳能电池。(Yoshikazu Tsuno/AFP)

【大纪元2023年05月12日讯】（大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导）由于传统硅基太阳能电池笨重和昂贵，因此轻量和便宜的有机太阳能电池成为人们的首选，但该种太阳能电池容易发生损毁。近期，荷兰一所大学发明了一种光电转换效率超过17%的有机太阳能电池，且不容易损毁，有望代替传统的太阳能电池。
荷兰格罗宁根大学（University of Groningen）团队使用原子层沉积（ALD）方式制造出二氧化锡（SnO2）导电层，使有机太阳能电池（NFA-OSC）的光电转换效率超过17%。该论文今年3月底发表在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上，格罗宁根大学也对此做了报导。
原子层沉积法是一种工业级技术，可以将物质以单原子膜的形式，一层一层的基底镀在需要的表面上，该方法也可应用于晶圆上。
有机太阳能电池的运作方式，是将太阳光透过聚合物和小分子转化为电能。该种电池由不同层的薄膜制成，每一层都有自己的特性并堆叠在基板上，但最重要的是将光转化为电荷，并让电荷和电子在光敏层（发光层）发生作用，从而产生电流，并将电流储存起来，或直接转换成动力。
过往，有机太阳能电池使用的电子传输层（ETL）是金属氧化锌（ZnO），优点在于相对容易制造、传输性能佳，且产生效率高，但缺点是氧化锌暴露在阳光（紫外线）下时，光稳定性差，容易被光线分解，大大缩减有机太阳能电池的寿命。
因此人们使用二氧化锡代替氧化锌的材料。氧化锡比氧化锌能提供更高的电子迁移率（金属或半导体内部电子在电场作用下的移动速率）和稳定的化学性，且不容易被紫外线分解。
不过，使用“纳米粒子的胶体分散法”做出的二氧化锡薄膜，需要通过特殊溶液处理获得，导致成本过高，同时添加剂容易残留在薄膜中，导致该种材料做出的有机太阳能电池的性能和稳定性较差。
这次，由玛丽亚‧安东尼塔‧洛伊（Maria Antonietta Loi）教授领导的格罗宁根大学团队，使用原子层沉积技术，做出卓越的二氧化锡薄膜，用于电子传输层，不仅效果好，还能避免溶液处理产生的问题，同时减少额外的步骤。二氧化锡薄膜在电子传输层的性能被强化。
研究团队分别在80°C、140°C和200°C温度下使用原子层沉积技术对二氧化锡进行薄膜沉积，最后沉积的薄膜不仅沉积层致密、品质佳，还克服过往薄膜存在的弱点。
研究人员还发现，在140°C和200°C温度下沉积出来的二氧化锡薄膜的导电率比80°C的高，但材料透明度比80°C时低。由于材料透明度会影响光线的穿透，从而影响光电的转换率，因此最后折衷使用140°C作为膜沉积的温度。
实验证明，使用纳米粒子的胶体分散方法做出的二氧化锡薄膜和氧化锌薄膜的光电转换效率，分别是16.03%和16.84%。
另外，使用原子层沉积法做出的二氧化锡薄膜的光电转换效率是17.26%，比其它两种更加稳定；暴露于光（包括紫外线）50小时后保留初始太阳能电池品质值（FF值）为84%，而使用氧化锌的FF值仅63%。
该大学光物理和光电子学组的博士生大卫‧加西亚‧罗梅罗（David Garcia Romero）对格罗宁根大学新闻社表示，“我们使用了原子层沉积法，这是一种在有机光伏领域很长时间没有使用过的技术。这种方法可以制出质量卓越的薄膜，未来可以扩展到工业制程上。”
他还表示，“我们的目标是提高有机太阳能电池的效率，并使用可扩展的方法。同时我们将会继续优化有机太阳能电池其它的薄膜层，但立即投入工业中使用还言之过早，需要先做更多的研究。我们希望原子层沉积的方法，能够帮助该领域的其他人进行研究。”
洛伊教授补充表示，“使用原子层沉积法的二氧化锡薄膜，为有机太阳能电池跨出一大步，预计这种电池的使用方式，会与传统的太阳能面板截然不同。”