采用疊層結構的有機太陽能電池

美國國家標準局（NIST，馬里蘭州Gaithersburg）最新的研究成果——一種新型的具有商業價值的太陽能電池——使太陽能電池更加接近于實際應用。NIST的科研人員對復雜的有機光電材料進行了深入的研究，這種新材料是有機光電器件的核心部分。

有機光電器件依靠有機物分子將吸收到的太陽光轉化為電能，相對于傳統的硅材料電池具有顯著的優勢，因而成為研究的熱點。有機太陽能電池的原料為一種類似墨水的物質，將其涂覆在柔性表面從而制造出能夠覆蓋大面積的太陽能電池模塊，這個過程與展開一卷地毯類似。有機太陽能電池制造成本更加低廉，并且易于為多種功耗應用所采納，但是，要真正應用到實際還需要對該技術進行改進。

不同種類太陽能電池的轉化效率相差很大，這主要取決于太陽能電池單元的制造工藝。單晶硅太陽能電池是在由單晶硅棒切割而成的厚度為200微米的硅片上制造的，處于試驗階段的電池的轉化效率已經接近24%，商用模塊的轉化效率也已經超過15%。多晶硅太陽能電池是在多晶硅錠切片上進行加工，因而制造成本低廉，但同時電池的轉化效率也低于單晶硅電池。目前，處于實驗室階段的多晶硅電池的轉化效率達到了18%，商用模塊的轉化效率接近14%。典型的太陽能電池模塊的使用壽命可以達到20年左右。

從轉化效率和使用壽命的角度來看，即使是目前性能最佳的有機物太陽能電池，光電轉化效率也未達到6%，使用壽命也僅有幾千個小時。NIST的DavidGermack表示：“工業界普遍認為，當該太陽能電池的轉化效率超過10%，同時使用壽命達到10000小時后，這項技術將會被以更快的速度被采用。”如何對電池進行優化，關鍵在于了解材料內部的變化，但我們對于這方面的研究還處于起步階段。

近期，NIST的研究團隊對材料的研究已經取得了突破性的進展，采用新型有效的測試方法揭示了如何控制有機光電材料合成的方法。有機光電器件制造工藝中所用的“墨”通常是由能夠吸收太陽光（通過太陽光照射使材料釋放電子）的有機物材料與富勒烯混合而成，富勒烯是一種由碳原子構成的球形分子，主要用于收集電子。當“墨”涂覆到表面后，有機材料和富勒烯的混合物會硬化形成薄膜，硬化過程中，有機材料所形成的隨機網絡與富勒烯通道（如圖所示）混合在一起。對于常規器件，理想狀況的有機物網絡要能夠完全接觸到薄膜下表面，而富勒烯通道則將與上表面接觸，從而電流能夠沿著正確的方向流出器件。盡管如此，如果在有機物與薄膜下表面之間形成富勒烯阻擋層，電池的光電轉化效率將會降低。

通過測量薄膜界面對X光的吸收情況，NIST發現通過改變電極表面的特性，可以使其排斥富勒烯（就好象油排斥水一樣）同時吸引聚合物。這樣，界面的電學性能也會發生顯著的變化。最終的結構將提高光電流到達恰當電極的幾率，同時降低富勒烯在薄膜底部的沉積，這兩方面都將使太陽能電池的光電轉化效率或者壽命得到改善。

Germack表示：“針對薄膜的邊緣，我們已經確定了一些需要進行優化的重要參數，這也意味著整個行業將著手對太陽能電池整體性能進行優化。”

目前，NIST的研究人員根據其對薄膜邊緣的了解，開始對整個薄膜內部的反應進行研究。這方面的知識對于研究有機太陽能電池的工作原理以及老化過程，以及如何延長其使用壽命至關重要。