微米級“耙子”可讓太陽能電池轉(zhuǎn)換率倍增

　　混合供體（donor）聚合物與 受體（acceptor）的許多聚合物組合可用于形成一個完整的塑料太陽能電池。遺憾的是，有些最佳組合往往因為聚集在一起而減少了電子轉(zhuǎn)移時的表面積 ——從供體（轉(zhuǎn)移電子）到受體（讓太陽能電池中的電子通過，傳送至到太陽供電的裝置）。然而，透過一個微米級的“耙子”即可排解這些聚集，并形成納米級晶體，使得表面積倍增，從而提高2倍的輸出功率。

　　美國斯坦福大學(xué)（Stanford University）材料與能源科學(xué)研究所（SIMES）將這一過程稱為“流體強化晶體工程”（FLUENCE）。

　　“我們分別使用了供體和受體聚合物材料——即全聚合物太陽能電池，在涂布期間利用微米級耙子爬梳，可使所用的模型系統(tǒng)效率倍增，”SIMES成員之一的華裔教授鮑哲南表示。

　　現(xiàn)在一般都會為全塑料太陽能電池選擇使用聚合物，因為聚合物較不會聚集，即使產(chǎn)生的激子也很少會是易于聚集的聚合物。然而，利用這種FLUENCE技術(shù)，可 讓太陽能電池利用聚合物實現(xiàn)聚光功能——每個光單位所產(chǎn)生的激子（電子/電洞對），從而優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率，使其輸出功率較傳統(tǒng)的涂布方式增加一倍。

　　柱狀豎立的1微米間距“流體強化晶體工程”或FLUENCE“耙子”的 掃描電子顯微鏡（SEM）圖

　　“這種微米級的耙子可加以調(diào)諧而與現(xiàn)存的聚合物配方共同作業(yè)。然而，根據(jù)所使用的聚合物系統(tǒng)，耙子的效應(yīng)也有所差異，但在聚合物傾向于聚集成一大塊的情況下最有效。它可利用顯微級的耙子使其分散成小塊，實現(xiàn)更有效率的激子解離，”鮑哲南說。

　　目前，這些經(jīng)概念驗證的耙子實驗正以十分緩慢的速度進行——每小時約3.5-14.2英吋，與塑料太陽能電池實現(xiàn)最經(jīng)濟生產(chǎn)需要每小時50英哩的高速卷對卷 （R2R）工藝相距甚遠。然而，研究員們并不擔(dān)心提高速度的挑戰(zhàn)，他們表示，這只需要優(yōu)化參數(shù)即可——這包括從選擇不同溶劑類型到改變工藝溫度，以便使 FLUENCE工藝提升到更高速的制造。

　　“我認為，為了落實這種微米級耙子的優(yōu)點，選擇合適的溶劑和溫度十分重要，”鮑哲南表示。

　　據(jù)鮑哲南解釋，過去一般采用顯微級直刀來瓦解這些聚集塊，但微型耙子的效率更高18%，加上它還能制造商進一步提高全塑料太陽能電池的生產(chǎn)效率。事實上，研究人員們十分看好這種FLUENCE工藝，可讓塑料太陽能電池只需要一小部份的制造成本，就能展現(xiàn)超越硅晶太陽能電池的效率。

　　流體強化晶體工程（FLUENCE） 解決方案

　　美國國家加速器實驗室（SLAC）的斯坦福同步輻射光源（SSRL）部門負責(zé)人Mike Toney利用X射線衍射測量FLUENCE可分開供體與受體納米級晶體的程度，也為這項研究帶來貢獻。此外，美國羅倫斯柏克萊國家實驗室（LBNL）的 先進光源（ALS）則用于表微這項技術(shù)。

　　微米級粑子以1.2微米間距封裝，高度約1.5微米。斯坦福大學(xué)研究研究員Yan Zhou為供體與受體晶體之間表征優(yōu)化距離——使其接近到足以實現(xiàn)快速的電子轉(zhuǎn)移，但又不至于太接近讓受體可在采集到電力后才傳回電子。

　　其他有助于實現(xiàn)這項計劃的還包括前SLAC科學(xué)家Stefan Mannsfeld（現(xiàn)為德國Dresden工業(yè)大學(xué)教授）、前SIMES博士后研究員Ying Diao（現(xiàn)任伊利諾大學(xué)教授），以及來自ALS、北京大學(xué)與韓國成均館大學(xué)的科學(xué)家群。

　　美國能源部（DoE）的BRIDGE研究計劃、SLAC的指導(dǎo)研究和開發(fā)計劃實驗室與國家加速器實驗室、SIMES以及斯坦福大學(xué)均為這項提供贊助資金。