高效三结聚合物太阳能电池的设计创造新记录

2014-08-04 00:15

　　有机太阳能电池通常由两种材料制成：供体和受体，这有助于有效的电荷分离。对于受体，最常用的分子是蓝色吸附性富勒烯中的一个。这使得供体材料的吸收光谱可以覆盖尽可能多的太阳光光谱。但大多数有机半导体只有一个小的光学带宽。因此，基于这种材料的太阳能电池只捕捉到太阳光谱的一小部分。

　　这个问题可以通过设计一个适当的堆叠或串联组态来克服，调整一些有机材料，使得各自吸收光谱的单独一部分，从而增加了整个装置的效率。使用高频带间隙的半导体材料吸收短波辐射，波长较长的部分传送到后续的半导体。

　　在这种背景下，研究人员对多结太阳能电池的发展寄予厚望，希望能大幅度超越单结有机光伏电池的性能。

　　从理论上讲，随着结的数目无限增加，太阳能电池可以得到的最大功率转换效率（PCE）为高度集中阳光的近87%。我们面临的挑战是开发可以实现大范围带隙和以高结晶质量增长的半导体材料系统。

　　新研究出自加州大学洛杉矶分校（UCLA）的Yang Yang实验室，有机串联太阳能电池研究的领先实验室之一。该实验室提出了一种高效的设计即三结有机串联太阳能电池具有一个配置带隙能量设计以最大化串联输出光电流。

　　在2014年7月14日先进材料在线版（“一种高效三结聚合物太阳能电池具有功率转换效率超过11%”）中报道了这项研究中创新的关键，这是一种有机材料的演示，能够模拟III-V基太阳能电池中创纪录效率的三结结构。

　　以工业标准的GalnP/GalnAs/锗技术构造的III-V基太阳能电池已经达到了所有太阳能电池的最高能量转换效率，超过当前记录40%。

　　“在III-V基多结太阳能电池中，用于高电流输出三结电池的最优排列设有一个宽带隙吸收器（2.0-1.85eV），一个中带隙吸收器（1.4-1.2eV），并且以低带隙吸收器（1.0-0.7eV）。”Chunchao Chen，Yang的实验室的一个学生，也是论文的第一作者，解释说：“然而，这个最佳的设计规则不能直接应用在有机太阳能电池中，因为缺乏具有带隙低至1eV的有效供体材料。因此，我们开始为三结着手确定与实际相结合的带隙能量以建立一个高效的有机串联太阳能电池结构。”

　　团队相信，他们从设计串联太阳能电池中所获得的经验和知识可以被转移到其他光伏技术——例如混合太阳能电池；钙钛矿太阳能电池；CIGS太阳能电池。例如去年，他们已经证明串联结构可以与现有的半透明太阳能电池的设计相结合，可导致效率提高一倍。