太阳能蓄电池能用多久,寿命可达30年的有机太阳能电池诞生

寿命可达30年的有机太阳能电池诞生

近日，密歇根大学团队联合浙江大学和天津大学，联合开发一种光伏电池，该电池可用于制造太阳能窗户。这种耐用的设计，给太阳能窗户商业化带来了重要突破。

据介绍，该研究提出了寿命可达30年的半透明太阳能电池，同时还可将光电转换效率保持在10%左右。这应该是目前为止寿命最长的高效率半透明有机太阳能电池。

研究人员估计，以美国为例如果这种材料能覆盖美国70亿平方米左右的玻璃表面，那么它可以满足美国40%的能源需求。

此次论文的通讯作者、密歇根大学电气工程专业的斯蒂芬·福雷斯特（Stephen Forrest）教授告诉媒体：“太阳能大概是自工业革命以来人类生产的最便宜的能源形式。在窗户上使用这些设备，你的建筑就变成了发电厂。”

足够透光又同时能发电的智能窗户是有机光电领域近年来的研究热点之一。30年的使用寿命基本上和常用硅基太阳能电池差不多，但硅基太阳能电池基本上不透光也一般没法作为窗户使用。

终极难题之一：如何对抗紫外线？

据了解，透明有机太阳能电池最早于2017年问世。当时该团队表示，如果使用的材料能适应紫外线和近红外波长，那么这些波长的光就能在电池中被转化成电能。

那时，研究人员就预测称：“高度透明的太阳能电池引领了未来新能源应用的浪潮。”并表示：“我们分析了它们的潜力，发现通过收集不可见的光，这些设备可拥有类似屋顶太阳能的供电能力，同时它还能提供额外的功能，以提高建筑、汽车和移动电子设备的工作效率。”

近年来，有机光伏电池（OPV，Organic photovoltaic cells）的重量轻、高灵活、成本低、环境友好等特点，引起了人们的广泛关注。

但是，受到阶梯型非富勒烯受体影响，不透明电池单元中的有机光伏电池功率转化率为18%，可见透明度为50%的半透明单元中的转化率为10%。

尽管有研究表明，在发光二极管（LED）的照明下，基于非富勒烯受体的太阳能电池能达到较长的运行寿命。但不幸的是，当处于大量紫外线、红外线和高工作温度中等恶劣环境中，这种电池的长期使用能力尚未得到认可。

此外，在同一个非富勒烯受体太阳能电池中，尚未同时实现高效率和长寿命。这让很多人以为，较短的工作寿命是这类电池的固有缺点。

与采用具有高键解离能的C70受体的高度稳定器件相比，最有效的非富勒烯受体，包含多个具有相对较弱化学键的噻吩单元，在高紫外线和红外线的光强度下，这些化学键会解离。

尽管科学家们已经研究出修改材料界面来抑制降解的策略，但研究人员在论文中表示，在模拟大气质量（AM）1.5 G辐射下，长期稳定的非富勒烯受体太阳能电池尚未实现。

研究中，为了让太阳能电池用于光伏窗户，研究人员将非富勒烯电池与聚合物PCE-10做为给体，并以具有“受体-供体-受体”结构的近红外吸收非富勒烯材料为受体，设计出了新电池。

尽管太阳能电池由包括含硫的非富勒烯受体构成，并且发电效率与硅相当可达到18%，但它们的使用寿命很短。

因此，该团队面临的挑战是防止这些高发电效率的材料，在使用之后被紫外线迅速降解，只有这样才能将光能产生的电子、移动到电极的分子中。

给玻璃涂一层“防晒霜”

为解决这一问题，研究人员首先需要防止紫外线光子撞击电池。因此，他们给朝向太阳的玻璃面上镀了一层氧化锌（ZnO）保护罩，这等于给玻璃涂一层“防晒霜”。

其中，氧化锌层是从氧化锌前驱体溶液中，以自旋形式浇铸到基底上，然后在150℃的空气中热退 30分钟而形成。

据介绍，这层氧化锌可将太阳能产生的电子传导到电极上，从而减轻紫外线光子对电池的损伤。此外，由富勒烯材料制成的C70——即由70个碳原子组成的球形小分子层，则被用于电子和空穴的传输层界面。