未来的高效有机太阳能电池

匿名用户 2020年10月26日 pm11:00 阅读 221

作为博士论文的一部分,埃尔兰根-纽伦堡的弗里德里希-亚历山大大学的一位年轻科学家设计了一种提高有机太阳能电池效率的方法。

特别是考虑到全球变暖的迅速增长,可再生能源在未来将发挥越来越大的作用。但是到目前为止,德国的此类能源比例仍然很低。例如,去年光伏发电在总发电量中的比例仅为7.4%。该数字部分归因于这些类型的系统产生的相对较低的电力产量。

尽管在我们的地理气候中,无云的天空下,太阳每平方米可提供约1,000瓦的太阳能输出,但市场上通常可买到的单晶硅太阳能电池最多只能将其中的20%转化为电能。

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利弊

有机太阳能电池的性能甚至更差,最高效率仅为12.6%。自2019年9月以来,由克里斯托夫·布拉贝克(Christoph Brabec)教授领导的研究小组保持了这一有机光伏(OPV)的世界纪录。他是德国埃尔兰根-纽伦堡(FAU)弗里德里希·亚历山大大学材料科学系主任,是电子和能源技术材料研究所(i-MEET)的主任。纽伦堡能源园区(EnCN)开发了表面积为26cm²的多细胞模块。“如果我们在实验室中将其提高到20%以上,那么在实际应用中我们可能会达到15%。这样,它才能真正与硅太阳能电池竞争。”

此外,到目前为止,有机太阳能电池的稳定性也较差,但另一方面,它们在某些方面要优于由晶体硅制成的太阳能电池。它们制造便宜并且可以更灵活地使用。因此,布拉贝克教授及其团队多年来一直在致力于减少这些不利因素的方法。FAU的初级科学家Andrej Classen是其中一位学生,他现在能够在其博士论文中证明可以通过使用发光受体分子来提高效率。

Windows作为发电机

科学家强调,有机太阳能电池的优势不言而喻。它们像薄膜一样薄且柔韧,可以轻松适应各种基材。“通过使用的大分子可以’调节’吸收太阳光的波长。例如,涂有有机太阳能电池的办公室窗户吸收红色和红外光谱范围内的光,不仅可以屏蔽热辐射,而且可以同时发电。“鉴于气候危机,一个越来越重要的因素是太阳能电池需要产生比其制造所消耗的更多能量的工作时间。所谓的能源回收时间(EPBT)高度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)的最新估计,瑞士硅基光伏模块的能源回收期为2.5 – 2.8年。Brabec教授主席的研究助理ThomasHeumüller博士说,使用有机太阳能电池,能源回收期仅为几个月。

电荷分离的能量损失

此外,与“经典”硅太阳能电池相比,有机太阳能电池还有另一个决定性的缺点:Heumüller博士解释说,阳光不会立即产生自由电荷载流子,而是所谓的激子,在激子中正负电荷仍然束缚。“要获得能够发电的自由电荷载流子,需要一个只吸引负电荷并因此导致电荷分离的受主”。

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为了分离电荷,需要特定的力,该特定的力称为驱动力。这又取决于所用聚合物的分子结构。迄今为止,由于富勒烯的物质类别中的特定分子具有强大的驱动力,因此它们主要已被用作有机太阳能电池中的电子受体。然而,与此同时,研究人员发现“强大的驱动力是以牺牲电压为代价的”。这意味着太阳能电池的输出减少,“根据适用于直流电的公式,功率等于电压乘以安培数”。

特定分子可增强性能

为了找出能够实现激子完全电荷分离的驱动力,Andrej Classen比较了四种供体聚合物和五种受体聚合物的组合。这些已经证明了其在有机太阳能电池中的潜力,然后Classen在完全相同的条件下以几乎为零至0.6电子伏特的驱动力制造了20个太阳能电池。

根据测量结果,他提供了激子与分离电荷之间的玻耳兹曼平衡的第一个证据,这种平衡被称为电荷转移(CT)状态,这已在研究中假设。“驱动力越接近于零,平衡态就越趋向于激子侧,”布拉贝克研究小组光物理学专家拉里·吕尔博士说。因此,今后的研究必须集中在防止激子衰减上,即增加激子的“寿命”。迄今为止,重点仅在于CT状态的寿命。

激子可以通过发光(发光)或产生热量来衰减。通过熟练地改性聚合物,可以将热量产生降至最低,从而主要保留发光。Classen强调说:“因此,有机太阳能电池效率的提高归因于高度发光的受体分子。”

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