生产塑料太阳能电池的简单途径

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  一种压印聚合物太阳能电池的简易生产过程可以进一步降低制造塑料光伏的成本。该方法省略了生产过程中的一些步骤,已在大规模、滚筒压印系统中得到验证。假如它可以应用到更广泛的高分子材料领域,它可能会催生出一个快速便宜的方法来制造塑料太阳能电池,应用于类似便携式电子设备、整合光伏电池的建筑材料以及智能型织物这样的应用领域。
  在把阳光转换成电能方面,聚合物太阳能电池的效率并不比晶体硅太阳能电池高,但聚合物太阳能电池既轻巧又便宜,这一权衡可以使它们在一些应用领域更实用。它们可以与大面积压印技术——如滚筒加工——相兼容。但生产太阳能电池是具有挑战性的,因为假如聚合物在纳米级没有排列整齐,电子就无法脱离电池。现在,研究人员用后印刷处理的步骤来实现使聚合物排列整齐的目标。美国密歇根大学的研究人员希望,省略这些额外的步骤将能降低制造成本和复杂性。
  密歇根大学电气工程学教授杰伊·郭(L.Jay Guo)说:“我们的策略同时解决了一些问题。”他们的方法需要在压印过程中用一张渗透膜施加少量的压力。这个过程会让印刷溶剂蒸发,从而让聚合物层排列整齐,无需任何后处理过程。这些对电池活性层结构的改进有一个额外的好处:使用这种技术生产的电池比使用其他方法生产出来的聚合物太阳能电池少用一层材料。国际著名期刊《先进材料》(Advanced Materials)的网站对这项研究进行了报道。
  当特定波长的光接触太阳能电池中的半导体材料时,它就能产生电子和带正电的空穴。要产生外部电流,电池必须把电子与空穴分离,这样电子才能离开。郭说,这种分离不会像发生在硅这样的无机材料中而轻易地发生在聚合物中。聚合物太阳能电池的活性层把两种材料结合起来,一种传导空穴,一种传导电子。理想情况下,吸电子的聚合物将在供电子聚合物顶端,以便其接近阴极,让尽可能多的电子离开。
  郭的研究小组发现,把聚合物混合物覆盖到塑料基板上,然后用滚筒挤压,使其涂上一层硅,促进这一理想结构的形成。滚筒的压力使聚合物在几秒钟之内结晶,而无需费时的化学处理或热处理。郭说,聚合物的机构如此之好,以至于密歇根大学的研究人员在不降低能量转换效率的情况下减少了电池的一层材料。
  到目前为止,郭已经使用了一种普遍但相对低效的聚合物来制造太阳能电池,但他说该方法也适用于高效的聚合物材料。密歇根大学的电池效率仅为3.5%左右。研究人员正在致力于寻找可以使聚合物太阳能电池的效率提高到12%~15%的材料组合,这种改进是必要的,假如聚合物太阳能电池要想进入更广阔的市场并且能与传统的硅和薄膜电池进行更充分的竞争的话。
  加州大学洛杉矶分校(University of California,Los Angeles)材料科学和工程学教授杨阳(Yang Yarn)说:“我认为这一方法具有很大的潜力。这种方法是否也适用于其他聚合物还不确定,但没有理由不适用。”杨正与加利福尼亚州的塑料太阳能电池公司Solarmer of E1 Monte合作,有望在今年年底前使用该设备实现10%的效率。
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