弹性太阳能电池更近一步 工程师赋予有机光伏新特性

2019-10-13 17:54:33

可以在表面上涂漆或印刷的有机太阳能电池效率越来越高,现在有望将其整合到衣服等要求柔性的应用中。赖斯大学化学与生物分子工程师拉斐尔·韦尔杜斯科(Rafael Verduzco)实验室已经开发出了柔性有机光伏电池,该光伏电池在恒定的低功率发电就足够的情况下很有用。

Verduzco和他的团队结合了弹性添加剂网络,这些物质使电活性材料的脆性降低,电流损失很小甚至没有。

该研究发表在美国化学学会的《材料化学》杂志上。

与坚硬的无机材料(如硅)相反,有机太阳能电池依靠包括聚合物在内的碳基材料来捕获阳光并将其转化为电流。有机物也薄,轻便,半透明且便宜。在商业化的硅基太阳能电池的中间效率约为22%(将太阳光转换成电能的效率)时,有机物的效率约为15%。

Verduzco说:“很长一段时间以来,效率图一直困扰着该领域。” “这些设备的效率有所提高,但是机械性能也确实很重要,因此忽略了这一部分。

“如果拉伸或弯曲物体,则会在有源层上产生裂纹,从而导致设备故障。”

韦尔杜斯科说,解决脆性问题的一种方法是找到天生具有挠性的聚合物或其他有机半导体,但他的实验室采取了另一种方法。他说:“我们的想法是坚持使用经过20多年精心开发的材料,并且我们了解其工作原理,并找到改善其机械性能的方法。”

莱斯研究人员没有在网状结构中倒入半导体聚合物中,而是将其混合在硫基硫醇烯试剂中。分子与聚合物混合,然后相互交联以提供柔韧性。

该过程并非没有成本,因为硫醇太少会使结晶聚合物在应力作用下易于破裂,而太多则会降低材料的效率。

测试帮助实验室找到了Goldilocks区。Verduzco说:“如果我们用这种网眼代替有源层的50%,则该材料将减少50%的光并且电流会下降。” “从某种意义上讲,这是不切实际的。即使在我们确认网络已经形成之后,我们仍然需要确定抑制断裂所需的硫醇-烯量,以及在不使其成为电子设备毫无价值的情况下可以投入的最大硫醇。”

他们发现细胞中硫醇的含量约为20%,可以保持效率并具有灵活性。Verduzco说:“它们是小分子,不会破坏形态。” “我们可以发出紫外线或加热或等待,随着时间的流逝,网络将形成。化学反应温和,快速且高效。”

下一步是拉伸材料。Verduzco说:“纯的P3HT(基于活性聚噻吩的层)在大约6%的应变下开始破裂。” “当我们添加10%的硫醇烯时,我们可以将其拉伸至14%。在大约16%的应变下,我们开始在整个材料中看到裂纹。”

在高于30%的应变下,该材料弯曲得很好,但不再用作太阳能电池。他说:“我们发现在高达20%的光电流下基本上没有损耗。” “这似乎是最佳选择。”

即使在释放应变时,应变下的损坏也会影响材料。Verduzco说:“应变影响了这些晶域的堆积方式,并转化为器件中的微观断裂。” “空穴和电子仍然需要到达相对电极的路径。”

他说,实验室希望尝试使用不同的有机光伏材料,同时努力使它们具有更大的可拉伸性,而对于较大的测试电池而言,添加剂较少。

莱斯大学的研究生吴若Wu是该论文的主要作者。共同作者是莱斯大学的研究生胡志奇,孙昌旭和校友以赛亚·巴特。赖斯和休斯敦社区学院的夏季研究员RodrigoMuñoz和Joshua Jackson 赖斯共享设备管理局的研究科学家Tanguy Terlier;和纽约厄普顿布鲁克海文国家实验室的Kevin Yager

该研究得到了美国国家科学基金会,韦尔奇化学研究基金会和能源部科学设施办公室的支持。

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