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打破

歐威有機光伏
由於其獨特的特性,有機太陽能電池具有許多潛在的應用,包括集成到窗戶中以從陽光中產生能量。 照片由 MaterialDistrict 提供

當您想像太陽能時,您很可能會聯想到跨越屋頂或大型太陽能電池板長度的大型太陽能電池板的圖像。 太陽能農場 在一個領域。 但是,如果您可以將太陽能電池板放置在混合動力汽車的天窗、帳篷上或辦公樓的窗戶內呢? 如果您可以在偏遠地區使用可通過郵寄管運輸的柔性太陽能電池板為疫苗冰箱供電,會怎樣? 這些只是一種被稱為有機太陽能電池 (OSC) 的相對較新的技術的一些可能應用——至少與自 1950 年代以來一直存在的矽太陽能技術相比是新的。

與傳統的矽太陽能技術一樣,OSC 將太陽能轉化為可用電能。 但它們比傳統的太陽能光伏發電更通用。 OSC 重量輕且靈活,可以製成半透明或各種顏色。 這些品質使它們具有在紡織、車輛和建築集成太陽能電池以及在不存在太陽能電池的地區發電的潛在應用。

獨特的應用

雖然需要額外的資金和研究才能將 OSC 推向商業市場,但專家們一致認為它們將在太陽能技術的未來發揮重要作用。 也就是說,他們不會取代或與硅太陽能電池正面競爭。 “我們不應該期望看到 OSC 的廣闊領域,比如那些在矽太陽能農場產生千兆瓦功率的領域,”佐治亞理工學院的化學教授 Seth Marder 說。 矽太陽能適用於提供大規模太陽能,而 OSC 具有指導其實際應用的其他獨特優勢。 

OSC 的兩個獨特特徵是它們的薄度和靈活性。 雖然典型的矽太陽能電池大約與人頭髮的平均寬度一樣厚,但大多數 OSC 大約薄一千倍。 由於它們的薄度和柔韌性,OSC 可以在曲面和柔性背襯上製造。 例如,它們可以修補或集成到帳篷、背包甚至服裝的面料中。 這些產品中的大部分仍在開發中並佔據了一個利基市場,但它們展示了 OSC 提供的創新創造力。 借助 OSC 技術,可以使用太陽能電池的可能性已經大大擴展,不僅限於屋頂和太陽能農場。


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OSC 還可以製成透明、半透明或各種顏色。 因此,有許多潛在的建築應用。 例如,透明 OSC 可以集成到窗戶中,從陽光中產生能量,否則可能會使房間變暖並導致更高的空調成本。 北卡羅來納州立大學材料科學與工程教授 Franky So 提供了另一種應用:OSC 可用於天窗,為電動和混合動力汽車提供動力。

此外,低前期投資和潛在的低產品運輸成本使得 OSC 技術可供發展中國家的社區使用,這些社區缺乏電網接入和建立電網的財務手段。 波士頓大學化學副教授 Malika Jeffries-EL 解釋說,OSC 具有“在沒有力量的地方帶來力量”的獨特能力。 在這些情況下,OSC 技術可以提供照明、手機充電、冷藏藥物和疫苗等任務所需的少量電力。

OSC 的另一個賣點是它們的製造能耗低於矽太陽能電池。 生產用於矽太陽能電池的高純度矽需要極熱的爐子——高達 1,500 °C (2,700 °F)。 相比之下,大規模的 OSC 可以通過簡單地將電池層印刷到背襯上來製造,這種工藝類似於用於印刷報紙的工藝。 由於此過程消耗的能量較少,因此與硅電池相比,OSC 的能源回收時間要短得多。 換句話說,OSC 需要更短的時間來產生製造它們所需的能量。

如何操作

第一個有機太陽能電池是在 1958 年開發的,但直到 2000 年代,OSC 的效率才顯著提高。 這種改進的 OSC 技術源自有機發光二極管(俗稱 OLED)領域。 OLED 技術用於當今市場上的許多電視和電話屏幕。 在 OLED 屏幕中,當施加電流時,一層有機分子(主要由碳和氫原子組成的分子)會發光。 OSC 基本上以相反的方式工作——有機分子層在暴露於光時會產生電流。

有機太陽能電池由多層材料組成,其中一層是受體層。 當陽光照射到細胞時,有機分子層會釋放一個電子,受體的工作是將該電子傳遞給電極。 這個過程會導致電荷積聚,從而產生電力。

2000 年至 2020 年 OSC 的效率圖隨著非富勒烯受體的發展,OSCs的效率急劇提高。 圖表由 Felipe Larrain 博士提供

傳統上,OSC 中最常用的受體是基於富勒烯的材料——一種由 60 個碳原子組成的分子,其結構類似於足球。 然而,對於富勒烯受體,OSCs 的效率被限制在 10% 左右。 換句話說,只有 10% 的陽光照射到太陽能電池上被轉化為電能。 因此,研究人員著手探索新型受體層,以此作為提高 OSC 效率的手段。

非富勒烯受體 (NFA) 的開發使 OSC 能夠實現更高效率的突破。 有了 NFA,OSC 的效率急劇提高—— 18% 在短短幾年內。 這使 OSC 處於低端 市售矽太陽能電池的平均效率為 18% 至 22%. 這種效率的提升超出了許多專家的預期,其中一些人在 OSC 的效率僅徘徊在 3% 左右時就開始在該領域工作。 “如果 10 年前你告訴我我們將擁有 18% 效率的有機太陽能電池,我會笑的,”Marder 說。  

克服的障礙

在 OSC 廣泛上市之前,還有很多工作要做。 最大的挑戰之一是製造過程中使用的溶劑。 大多數性能最好的 OSC 是使用氯化溶劑製成的,氯化溶劑對健康和環境都有危害。 “在擴大 OSC 製造規模時,您必須考慮將在製造工廠工作的人員的暴露程度,”佐治亞理工學院電氣和計算機工程教授伯納德·基佩倫 (Bernard Kippelen) 說。 迄今為止的研究主要集中在獲得越來越高的效率上,但正如 Kippelen 所說,“我們需要一種遠遠超出一個數字的方法。” 為了使 OSC 成為可行的技術,必須優化製造過程,使其更安全、更具成本效益。

大規模生產 OSC 的另一個障礙是在理想實驗室條件下測試的單個電池的效率與已證明的更大模塊的效率之間的差異。 單個電池可以具有高效率,但將多個電池組裝成模塊、面板或陣列需要額外的電氣連接,這會降低效率。 然而,正如 Kippelen 指出的那樣,這些差異是意料之中的。 “電池效率的提高需要一段時間才能反映在生產線下模塊的效率上,”他說。 “矽太陽能電池也是如此。”

為 OSC 研究提供資金是另一個問題。 在美國,太陽能電池研究的大部分資金來自政府機構,例如能源部。 然而,根據 Kippelen 的說法,“許多資金來源在做 OSC 研究方面已經枯竭了”,因為出現了一種快速擴展的太陽能電池類別,稱為 鈣鈦礦. “鈣鈦礦的使用引起了很多興奮,因為在某些情況下它們的效率甚至高於矽,”Kippelen 說。 然而,儘管美國對 OSC 的資金減少了,但中國繼續引領 OSC 的研究和開發。 “美國 [OSC 研究] 的工作量只是中國工作量的一小部分,”Marder 說。 “中國人對此正在全力以赴。” 

樂觀的理由

未來世界能源消費將繼續上升,特別是在發展中國家渴望與發達國家享有的按需能源生產相同的好處時。 Marder、Kippelen、Jeffries-EL 和 So 等研究人員表示,OSC 技術有可能在全球向可再生能源轉型中發揮獨特而重要的作用。 最近 OSC 效率提高到 18%,許多研究人員致力於推進這項技術,科學家們現在正在研究串聯 OSC(使用兩種不同的材料來吸收不同波長的陽光)來捕獲更多的能量。 有些人希望這種發展可以進一步提高 OSC 的效率——高達 20%。

Kippelen 呼籲對 OSC 技術有長遠的看法。 “太陽能技術將存在很長時間,”他說,“我真的相信 OSC,隨著時間的推移,將成為一項非常重要的技術。”

關於作者

 Kellie Stellmach 是一名攻讀博士學位的研究生。 佐治亞理工學院化學博士。 她熱衷於開發新的有機材料以應對環境和可持續性挑戰。 她目前的研究重點是合成具有可回收材料潛在應用的低天花板溫度聚合物。

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這篇文章最初出現在 Ensia

 

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