光伏將在未來的能源供應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。例如，基于硅(一種眾所周知的半導(dǎo)體材料)的傳統(tǒng)太陽能電池已經(jīng)高度開發(fā)并廣泛使用。然而，它們的生產(chǎn)很復(fù)雜，因為它需要高溫下的高真空。用于生產(chǎn)的能源可能需要長達五年的時間才能被運營所抵消。

這就是基于有機半導(dǎo)體的太陽能電池可以發(fā)揮作用的地方，因為它們可以以節(jié)省能源和成本的方式進行印刷。然而，能量轉(zhuǎn)換存在一些限制，需要更詳細地研究。由開姆尼茨理工大學(xué)凝聚態(tài)光學(xué)和光子學(xué)教授領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組研究了哪些主要因素對有機太陽能電池的功率限制具有決定性意義。

該研究的主要作者是克里斯托弗·沃普克，他是開姆尼茨科技大學(xué)凝聚態(tài)光學(xué)和光子學(xué)教授的研究助理。拜羅伊特大學(xué)、伯爾尼大學(xué)(瑞士)、達勒姆大學(xué)(英國)、埃爾蘭根-紐倫堡大學(xué)和先進光源伯克利實驗室(美國)的科學(xué)家加入了他的研究。除其他外，該團隊發(fā)現(xiàn)傳輸阻力尤其嚴重限制了有機太陽能電池的性能。

這些結(jié)果對于開發(fā)更高效的太陽能電池以實現(xiàn)高通量生產(chǎn)的重要性在能源轉(zhuǎn)型的背景下尤為明顯。由于與硅對應(yīng)物不同，有機半導(dǎo)體已經(jīng)可以在室溫下使用印刷工藝制造，因此它們在生產(chǎn)過程中所需的能源顯著減少，并且具有相當程度的光伏轉(zhuǎn)換效率。此外，新型有機太陽能電池在實驗室條件下的效率接近20%。這使他們越來越具有競爭力。

該研究結(jié)果已發(fā)表在《自然通訊》上。

運輸阻力的關(guān)鍵重要性得到證明

太陽能電池中的有機半導(dǎo)體可以很好地捕捉太陽光，將太陽能高效地轉(zhuǎn)化為電能，能量平衡非常好。然而，這些材料中電荷載流子的低遷移率仍然是一項主要的技術(shù)任務(wù)。這是因為電導(dǎo)率和效率取決于它。一個眾所周知的挑戰(zhàn)是，在復(fù)合發(fā)生之前，必須從有機太陽能電池中提取慢載流子。這是使用太陽能的唯一方法。

就在幾年前，弗賴堡和波茨坦的科學(xué)家就有機太陽能電池描述的另一個挑戰(zhàn)是最大功率點的光電壓損失。這是由于緩慢移動的電荷載體。隨著有機太陽能電池的老化，這種損失變得更加明顯，這對效率有負面影響。理解這種損耗機制的重要性，即由于傳輸電阻引起的電壓損耗，只有在Chemnitz研究人員現(xiàn)在發(fā)表的出版物中才真正變得清晰。

有機材料老化導(dǎo)致的更多缺陷

由稱為非富勒烯受體的聚合物和分子的混合物組成的高效有機太陽能電池以不同的加速方式老化。參與的科學(xué)家使用互補的方法研究了這些光伏設(shè)備。

“對于高溫下的熱加速降解，我們能夠證明吸收材料和界面的特性保持非常穩(wěn)定，”CarstenDeibel教授說。吸收材料是光吸收層。該界面描述了兩個半導(dǎo)體接觸電極的所有區(qū)域。

Deibel說，一個例外是由于光敏層納米結(jié)構(gòu)的變化而導(dǎo)致的與老化相關(guān)的缺陷態(tài)形成，該團隊能夠觀察到這一點。研究小組發(fā)現(xiàn)，傳輸阻力的相關(guān)增加是由于加速熱降解而導(dǎo)致填充因子降低的主要原因。填充因子是用于確定太陽能電池性能的三個因素之一。由于老化導(dǎo)致的較低填充因子因此降低了能量轉(zhuǎn)換的效率。

“我們需要廣泛的補充方法來區(qū)分吸收層和電極界面的變化，以及重組和傳輸阻力。因此，所有團隊的多學(xué)科專業(yè)知識都是無價的，”Wöpke強調(diào)說。

“我們研究的一個關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，傳輸阻力是現(xiàn)代有機太陽能電池中一個主要的性能限制機制，需要解決，”Deibel教授補充道。“即使是新加工的光伏器件也會出現(xiàn)這種損失，即使是輕微抑制陷阱形成也可以克服。”

未來的研究將探索減少陷阱形成和提高有機太陽能電池電導(dǎo)率的方法。

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