密歇根大学的一个研究小组开发了一种透明度为40%、效率约为10%的有机太阳能电池。
这种非富勒烯电池是为光伏窗的应用而设想的,它是用聚合物PCE-10作为供体,和一种被称为BT-CIC的近红外(NIR)吸收的非富勒烯受体(NFA),以受体-供体-受体的变频设计制造的。研究员YongxiLi说:"非富勒烯受体引起非常高的效率,但含有弱键,在高能光子下容易解离,特别是阳光中常见的UV[紫外线]光子,"他指出,这些光子影响设备的耐久性。
为了解决这个问题,研究小组需要防止紫外线光子照射到电池上,为此,他们在设备的正面放置了一个氧化锌(ZnO)层。"科学家们解释说:"氧化锌层(大约30纳米)是从氧化锌前体溶液中旋铸到基片上的,然后在空气中以150摄氏度的温度退火30分钟。
这一层能够将太阳能产生的电子传导到电极上,从而缓解了紫外线光子的问题,但同时,它影响了设备中使用的自组装单层的性能,因此必须添加一层名为IC-SAM的碳基材料作为缓冲。此外,在电子和空穴传输层界面上应用了一层由被称为C70的富勒烯材料制成的层。科学家们解释说:"为了防止有机/无机界面随时间发生化学和形态变化,缓冲层入到散装异质体和电荷传输层之间,以提高接触界面的稳定性,"他们指出,该电池还被封装在一个充满超高纯度氮气的"手套箱"中。
在有机材料和外部缓冲器之间添加了材料层(IC-SAM和C70)的OPV的横截面切片的透射电子显微镜(TEM)图像。
该太阳能电池在55摄氏度下以AM1.5G的辐照强度进行了1900小时的测试,仅损失了6%的效率,美国小组表示,这表明该装置在估计30年的使用寿命结束时仍可达到80%的效率。
该研究小组认为,如果有更高的透明度,电池效率可能会提高到15%,而且通过将所用材料制备成液体,该设备可能会进一步改进。"我们的结果表明,基于NFA的太阳能电池除了具有高效率和潜在的低制造成本外,还有可能满足市场对高可靠性的需求,"他们总结道。
对该电池和制造方法的完整描述可以在发表在《自然通讯》上的论文《具有超过30年内在操作寿命的非富勒烯受体有机光伏》中找到。
这种透明的有机太阳能电池最初在2017年亮相,当时研究小组表示,所使用的材料需要适应紫外线和近红外的波长,这些波长在设备中被处理成电力。"高度透明的太阳能电池代表了新的太阳能应用的未来浪潮,"研究员RichardLunt当时说。"我们分析了它们的潜力,并表明通过只收集看不见的光,这些设备可以提供与屋顶太阳能类似的发电潜力,同时提供额外的功能,以提高建筑物、汽车和移动电子设备的效率。"
该小组估计,美国有多达70亿平方米的玻璃表面可以被这种材料覆盖,有可能为美国提供40%的能源需求。