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【中国科学报】柔性太阳能电池的探索之路

作者:亚博足彩APP    发布时间:2020-08-19 19:40    

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  能源问题是人类面临的一个严峻问题。取之不尽、用之不竭的太阳能是清洁能源时代的宠儿。

  太阳能电池是把太阳能转化为电能的重要装置,其光电转化效率和稳定性成为业内关注的焦点。日前,澳大利亚昆士兰大学教授王连洲课题组基于近些年在太阳能电池、快充型储能电池和集成型太阳能充电电池领域的新探索,在《储能材料》上发表了一篇题为《柔性太阳能充电系统》的综述。

  在国内,中国科学院院士李永舫自2000年开始从事共轭高分子转入有机聚合物太阳能电池的研究。他告诉《中国科学报》:“有机聚合物太阳能电池与传统硅基太阳能电池相比,最大的特点是可以做成柔性和半透明,整体耗能低很多。”

  20世纪50年代,太阳能电池开始兴起并发展至今,现在应用比较普遍的是硅基太阳能电池。此外,还有无机半导体薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、有机聚合物太阳能电池等。

  不同太阳能电池结构不一样,比如有机聚合物太阳能电池的有机光敏带由P型有机半导体(容易给出电子)构成的给体、N型半导体(容易接收电子)构成的受体组成,形成很薄的柔性活性层,在外电路接通下产生光电流。钙钛矿太阳能电池与有机聚合物太阳能电池类似,具有三明治结构,主要的不同在于光敏层,它是有机无机杂化构成的钙钛矿结构。

  李永舫以硅基太阳能电池为例介绍道,硅基太阳能电池在生产过程中耗能较高,尤其是原材料的支配,以及硅要达到99.9999%纯化,这个纯化过程也需要耗能。

  他说:“硅基太阳能电池要使用6~7年才能把生产过程中的耗能收回来,而有机聚合物太阳能电池的能耗大概一年左右就可以收回,但存在稳定性问题,导致使用寿命不长,反观硅基太阳能电池使用寿命可达20年。

  2017年,英国、意大利、西班牙等7个国家的15家企业研究机构组成欧洲Powerweave研发团队,开展基于染料敏化纤维材料太阳能光伏电池技术和电能储存纤维材料薄膜蓄电池技术的有机组合的原位集成技术研究。

  来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员葛子义团队发现,当前大多数有机太阳能电池的研究结果都是基于刚性的氧化锡(ITO)玻璃基板。然而,ITO在塑料基板上存在导电性差和机械脆性等问题,另外ITO通常在高温下通过真空溅射进行加工,这使得其价格昂贵,不利于采用大面积印刷和卷对卷来制备。

  为此,葛子义团队开发了低温酸处理PEDOT/PSS电极替代需要高温溅射且昂贵的ITO电极。团队称,这类全溶液加工的柔性有机太阳能电池非常符合卷对卷印刷和刮涂等大面积制备工艺的技术要求,为有机太阳能电池低成本柔性化制备提供了重要的参考途径。

  记者获悉,葛子义团队利用全溶液加工技术,采用PBDB-T和IT-M非富勒烯活性层,制备了全湿法加工非ITO的单结柔性有机太阳能电池,电池的能量转换效率达到10.12%。

  有机聚合物太阳能电池的研究兴起于20世纪60年代,当时的转换效率非常低。李永舫最开始研究有机聚合物太阳能电池时由于条件不太好,效率也一直不高。2004年前后,李永舫团队开始思考如何提高材料的光电转换效率。

  “太阳能转化成电能,首先要求光伏材料对光有较宽和强的吸收,另外给体材料要有高的空穴迁移率,受体材料要有高的电子迁移率。”李永舫回忆道,“我们当年选择了富勒烯衍生物受体,其电子迁移率较高,随后我们的关注点转到给体材料。”

  “我们那个时候就想到了共轭侧链这个概念。”李永舫解释道,“由于共轭高峰的主链传输很快,有了共轭侧链就像搭了座桥,使电荷在这条共轭侧链上传输也比较快,提高空穴迁移率,进而提升光伏性能。”

  近年来,提升材料光电转化效率已成为太阳能电池的主流研究方向。南开大学化学学院教授陈永胜在柔性透明电极与柔性有机太阳能电池领域研究中发现,获得高性能的柔性透明电极是研发高效柔性有机光电器件的前提,也是目前该领域的核心难题。“因此,如何获得同时具有高导电、高透光、低表面粗糙度以及制备方法简单、绿色的柔性透明电极,是一项巨大的挑战。”

  2019年11月,陈永胜团队在《自然—电子学》发表文章,介绍了团队制备出同时具有高导电、高透光且低表面粗糙度的银纳米线柔性透明电极,将其用于构筑柔性有机太阳能电池,与使用商业氧化铟锡玻璃电极的器件性能相当,光电转化效率可达16.5%,刷新了当时文献报道的柔性有机/高分子太阳能电池光电转化效率的最高纪录。

  王连洲团队在综述文章里指出,由于太阳光自身的强度不稳定性以及间歇性,促使该领域的科研人员进一步探索光伏能源生成与储存的集成系统,促进了太阳能充电储能系统的发展。

  南京工业大学先进材料研究院教授陈永华告诉《中国科学报》:“太阳能充电储能系统比较适合应用于物联网和人机互动等领域,前提是需要提升光电转换和存储效率。”此前,陈永华团队寻找并设计出能够稳定钙钛矿结构的有机胺分子,制备出的层状钙钛矿太阳能电池光电转换效率得到明显提升。

  如今,太阳能充电储能系统已被广泛研究并应用于智能电网、房屋能源供给、通勤电动车辆、家用电子产品,以及便携式可穿戴电子设备中。在设计新一代可穿戴便携式能源设备尤其是太阳能充电储能系统时,王连洲团队意识到,柔韧性及可便携性是必须考虑的两大关键指标。

  王连洲团队表示,相比于传统的刚性器件,柔性薄膜太阳能电池因低温制备及易实现的面板安装技术而大大降低了成本。此外,将柔性的薄膜光伏系统与储能系统结合起来,不仅可以实现便携可穿戴设备的无线充电,还可以极大地提高电池的工作时长,实现更为广泛、精细的应用。

  中国科学院电工研究所副研究员原郭丰向《中国科学报》介绍道,柔性太阳能光伏发电与储存一体化技术,具有明显的表面结构适应性强、易弯曲、重量轻、无需额外安装费用等优势,可灵活应用于服饰、户外装备、建筑物、交通运输工具、电子设备等需要遮阳及复杂结构的物体外表面,也可以作为光伏发电储存一体化系统进行使用。

  原郭丰还指出:“柔性太阳能光伏发电与储存一体化技术仍然面临材料的制备及其稳定性、复杂条件下材料寿命、光电转化效率、充放电效率、安全性以及成本等诸多问题。”

  能源问题是人类面临的一个严峻问题。取之不尽、用之不竭的太阳能是清洁能源时代的宠儿。

  太阳能电池是把太阳能转化为电能的重要装置,其光电转化效率和稳定性成为业内关注的焦点。日前,澳大利亚昆士兰大学教授王连洲课题组基于近些年在太阳能电池、快充型储能电池和集成型太阳能充电电池领域的新探索,在《储能材料》上发表了一篇题为《柔性太阳能充电系统》的综述。

  在国内,中国科学院院士李永舫自2000年开始从事共轭高分子转入有机聚合物太阳能电池的研究。他告诉《中国科学报》:“有机聚合物太阳能电池与传统硅基太阳能电池相比,最大的特点是可以做成柔性和半透明,整体耗能低很多。”

  20世纪50年代,太阳能电池开始兴起并发展至今,现在应用比较普遍的是硅基太阳能电池。此外,还有无机半导体薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、有机聚合物太阳能电池等。

  不同太阳能电池结构不一样,比如有机聚合物太阳能电池的有机光敏带由P型有机半导体(容易给出电子)构成的给体、N型半导体(容易接收电子)构成的受体组成,形成很薄的柔性活性层,在外电路接通下产生光电流。钙钛矿太阳能电池与有机聚合物太阳能电池类似,具有三明治结构,主要的不同在于光敏层,它是有机无机杂化构成的钙钛矿结构。

  李永舫以硅基太阳能电池为例介绍道,硅基太阳能电池在生产过程中耗能较高,尤其是原材料的支配,以及硅要达到99.9999%纯化,这个纯化过程也需要耗能。

  他说:“硅基太阳能电池要使用6~7年才能把生产过程中的耗能收回来,而有机聚合物太阳能电池的能耗大概一年左右就可以收回,但存在稳定性问题,导致使用寿命不长,反观硅基太阳能电池使用寿命可达20年。

  2017年,英国、意大利、西班牙等7个国家的15家企业研究机构组成欧洲Powerweave研发团队,开展基于染料敏化纤维材料太阳能光伏电池技术和电能储存纤维材料薄膜蓄电池技术的有机组合的原位集成技术研究。

  来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员葛子义团队发现,当前大多数有机太阳能电池的研究结果都是基于刚性的氧化锡(ITO)玻璃基板。然而,ITO在塑料基板上存在导电性差和机械脆性等问题,另外ITO通常在高温下通过真空溅射进行加工,这使得其价格昂贵,不利于采用大面积印刷和卷对卷来制备。

  为此,葛子义团队开发了低温酸处理PEDOT/PSS电极替代需要高温溅射且昂贵的ITO电极。团队称,这类全溶液加工的柔性有机太阳能电池非常符合卷对卷印刷和刮涂等大面积制备工艺的技术要求,为有机太阳能电池低成本柔性化制备提供了重要的参考途径。

  记者获悉,葛子义团队利用全溶液加工技术,采用PBDB-T和IT-M非富勒烯活性层,制备了全湿法加工非ITO的单结柔性有机太阳能电池,电池的能量转换效率达到10.12%。

  有机聚合物太阳能电池的研究兴起于20世纪60年代,当时的转换效率非常低。李永舫最开始研究有机聚合物太阳能电池时由于条件不太好,效率也一直不高。2004年前后,李永舫团队开始思考如何提高材料的光电转换效率。

  “太阳能转化成电能,首先要求光伏材料对光有较宽和强的吸收,另外给体材料要有高的空穴迁移率,受体材料要有高的电子迁移率。”李永舫回忆道,“我们当年选择了富勒烯衍生物受体,其电子迁移率较高,随后我们的关注点转到给体材料。”

  “我们那个时候就想到了共轭侧链这个概念。”李永舫解释道,“由于共轭高峰的主链传输很快,有了共轭侧链就像搭了座桥,使电荷在这条共轭侧链上传输也比较快,提高空穴迁移率,进而提升光伏性能。”

  近年来,提升材料光电转化效率已成为太阳能电池的主流研究方向。南开大学化学学院教授陈永胜在柔性透明电极与柔性有机太阳能电池领域研究中发现,获得高性能的柔性透明电极是研发高效柔性有机光电器件的前提,也是目前该领域的核心难题。“因此,如何获得同时具有高导电、高透光、低表面粗糙度以及制备方法简单、绿色的柔性透明电极,是一项巨大的挑战。”

  2019年11月,陈永胜团队在《自然—电子学》发表文章,介绍了团队制备出同时具有高导电、高透光且低表面粗糙度的银纳米线柔性透明电极,将其用于构筑柔性有机太阳能电池,与使用商业氧化铟锡玻璃电极的器件性能相当,光电转化效率可达16.5%,刷新了当时文献报道的柔性有机/高分子太阳能电池光电转化效率的最高纪录。

  王连洲团队在综述文章里指出,由于太阳光自身的强度不稳定性以及间歇性,促使该领域的科研人员进一步探索光伏能源生成与储存的集成系统,促进了太阳能充电储能系统的发展。

  南京工业大学先进材料研究院教授陈永华告诉《中国科学报》:“太阳能充电储能系统比较适合应用于物联网和人机互动等领域,前提是需要提升光电转换和存储效率。”此前,陈永华团队寻找并设计出能够稳定钙钛矿结构的有机胺分子,制备出的层状钙钛矿太阳能电池光电转换效率得到明显提升。

  如今,太阳能充电储能系统已被广泛研究并应用于智能电网、房屋能源供给、通勤电动车辆、家用电子产品,以及便携式可穿戴电子设备中。在设计新一代可穿戴便携式能源设备尤其是太阳能充电储能系统时,王连洲团队意识到,柔韧性及可便携性是必须考虑的两大关键指标。

  王连洲团队表示,相比于传统的刚性器件,柔性薄膜太阳能电池因低温制备及易实现的面板安装技术而大大降低了成本。此外,将柔性的薄膜光伏系统与储能系统结合起来,不仅可以实现便携可穿戴设备的无线充电,还可以极大地提高电池的工作时长,实现更为广泛、精细的应用。

  中国科学院电工研究所副研究员原郭丰向《中国科学报》介绍道,柔性太阳能光伏发电与储存一体化技术,具有明显的表面结构适应性强、易弯曲、重量轻、无需额外安装费用等优势,可灵活应用于服饰、户外装备、建筑物、交通运输工具、电子设备等需要遮阳及复杂结构的物体外表面,也可以作为光伏发电储存一体化系统进行使用。

  原郭丰还指出:“柔性太阳能光伏发电与储存一体化技术仍然面临材料的制备及其稳定性、复杂条件下材料寿命、光电转化效率、充放电效率、安全性以及成本等诸多问题。”


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