未来的太阳能电池:提高有机太阳能电池效率的系统

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与由晶体硅制成的有机太阳能电池相比,有机太阳能电池的生产成本更低且更具柔性,但效率或稳定性却不相同。FAU材料科学与工程系主任,电子与能源技术材料研究所(i-MEET)主任Christoph Brabec教授领导的一组研究人员多年来一直在致力于改善这些性能。FAU的年轻研究员Andrej Classen在其博士论文期间证明,使用发光受体分子可以提高效率。他的工作现已发表在《自然能源》杂志上。


在欧洲纬度晴朗的晴天,太阳可以提供每平方米约1000瓦的辐射能。常规的单晶硅太阳能电池最多可将这种能量的五分之一转换为电能,这意味着它们的效率约为20%。自2019年9月以来,布拉贝克教授的工作组保持了12.6%的有机光伏模块效率的世界纪录。在纽伦堡Energie Campus(EnCN)开发的多电池模块的表面积为26cm²。Brabec教授说:“如果我们在实验室中能达到20%以上,那么在实践中我们可能会达到15%,并成为硅太阳能电池的真正竞争者。”


制造过程中的灵活应用和高能效


有机太阳能电池的优势是显而易见的-它们像箔一样薄且柔软,可以适应各种基材。可以通过使用的宏模块来“调整”吸收太阳光的波长。涂有吸收红色和红外光谱的有机太阳能电池的办公室窗户不仅可以屏蔽热辐射,而且还可以同时发电。


考虑到气候变化,一个变得越来越重要的标准是运行期,在此之后太阳能电池产生的能量超过了制造所需的能量。所谓的能量回收时间在很大程度上取决于所使用的技术和光伏(PV)系统的位置。根据弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(ISE)的最新计算,在瑞士,由硅制成的光伏组件的能源回收时间约为2.5至2.8年。然而,根据布拉贝克教授的研究助理托马斯·海默勒博士(ThomasHeumüller博士)的说法,有机太阳能电池的使用时间可缩短至几个月。


电荷分离的性能损失


与“传统”硅太阳能电池相比,它的有机等效物有一个明显的缺点:阳光不会立即为电流流动产生电荷,而是所谓的激子,其中正负电荷仍然束缚。Heumüller博士解释说:“需要一个只吸引负电荷的受主才能触发电荷分离,这又会产生自由电荷,从而可以发电。”


需要一定的驱动力来分离电荷。该驱动力取决于所用聚合物的分子结构。由于富勒烯类材料中的某些分子具有较高的驱动力,因此到目前为止,它们一直是有机太阳能电池中电子受体的首选。然而,与此同时,科学家发现高驱动力会对电压产生不利影响。这意味着,按照适用于直流电的公式,太阳能电池的输出会减少-功率等于电压乘以电流。


安德烈·卡伦(Andrej Classen)希望找出仅实现激子完全电荷分离所需的驱动力有多低。为此,他比较了四种供体聚合物和五种受体聚合物的组合,这些聚合物已经证明了其在有机太阳能电池中使用的潜力。Classen用它们在完全相同的条件下生产了20个太阳能电池,其驱动力几乎为零至0.6电子伏特。


某些分子的性能提高


测量结果为研究中已经假设的理论提供了证明–激子与分离电荷之间的“玻尔兹曼平衡”,即所谓的电荷转移(CT)状态。“驱动力越接近于零,平衡就越趋向于激子,”布拉贝克工作组的光物理学专家拉里·吕尔(LarryLüer)博士说。这意味着未来的研究应集中于防止激子衰减,这意味着增加激子的“寿命”。


到目前为止,研究仅集中在CT状态的使用寿命上。激子可以通过发光(发光)或加热而衰减。通过巧妙地改性聚合物,科学家们能够将热量产生降至最低,并尽可能保持发光。“因此,使用高度发光的受体分子可以提高太阳能电池的效率,” Andrej Classen预测。


来源:工业工程学习

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