非富勒烯有機太陽能電池：有望成為新一代太陽能電池！
背景
太陽能具有清潔、環保、可再生、易獲取、低成本等諸多優勢，是一種極具開發與利用價值的新能源，並已得到極為廣泛的開發與利用。然而，太陽能電池是一種典型的太陽能利用方式，它可以將太陽能轉化為電能並存儲起來。
（圖片來源：維基百科）
如今，佔主導地位的太陽能電池仍是以無機半導體為主要材料製成的，單晶硅、多晶硅和非晶硅系列的硅基太陽能電池的商業應用最為廣泛。但是，傳統的硅基無機太陽能電池具有製造成本昂貴、製造能耗大、污染高、工藝複雜等缺點。此外，傳統的無機太陽能電池是笨重、剛性、易碎的，不便於運輸以及靈活的安裝使用。
然而，新興的有機太陽能電池（OSCs）的製造成本更低，製造工藝更簡單，還具有輕量、柔性、超薄、透明等優勢，便於運輸以及靈活的部署。
（圖片來源：MIT）
儘管有機太陽能電池的優點很多，然而其「光電轉化效率」一直無法與無機太陽能電池媲美。然而可喜的是，近年來，有機太陽能電池光電轉化效率已增至10%以上，達到了可商業化應用的水平。但是，光學活性層厚度增加會導致光電轉化效率降低，因此需要更加複雜的製造工藝。
創新
近日，韓國蔚山國立科技大學（UNIST）能源與化學工程學院的教授 Changduk Yang 及其領導的科研團隊成功地提出了一種新方法，可以解決與有機太陽能電池中光學活性層厚度相關的問題。
（圖片來源：UNIST）
在這項研究中，科研團隊成功地使用位於光學活性層中的一種非富勒烯受體，在有機太陽能電池中實現了12.01%的光電轉化效率。更進一步說，即使最大測量厚度在300納米的範圍內，這種新的光學活性層仍保持了其初始的光電轉化效率。這項研究將促進工藝設計，並進一步推進有機太陽能電池的商業化。
Yang 教授表示：「現有的有機太陽能電池中的光學活性層非常薄（100納米），因此根本沒有可能通過大面積印刷工藝處理。即使最大測量厚度在300納米的範圍內，這種新的光學活性層仍保持了其初始的效率。」
（圖片來源：UNIST）
技術
太陽能電池使用光學活性層將太陽能轉化為電能。當這些活性層受到太陽光照射時，受激的電子從原子中逃逸，並在半導體中生成自由電子與空穴，而電子與空穴的運動可以提供電能。電子的轉移被稱為「通道一（Channel I）」，而空穴的運動被稱為「通道二（Channel II）」
（圖片來源：UNIST）
UNIST 化學工程與能源學院碩博連讀研究生 Sang Myeon Lee 表示：「由於活性薄層的光線吸收率低下，富勒烯基太陽能電池只利用了Channel I。然而，新型太陽能電池同時利用了Channel I 與Channel II，因此實現了高達12.01%的效率。」
價值
在這項研究中，Yang 教授已經解決了與有機太陽能電池中的光學活性層厚度相關的問題，從而離實現大面積印刷工藝又更近了一步。
Yang 教授表示：「這項研究突出了綜合考慮並優化『電荷分離/輸運』與『相區尺寸』兩個因素的重要性，從而實現了高性能的非富勒烯聚合物太陽能電池（NF-PSCs）。未來，我們將對高效有機太陽能電池的生產與商業化作出貢獻。」
Yang 教授還表示：「我們的研究展示了一種合成非富勒烯光學活性材料的新途徑。我們希望為高效有機太陽能電池的生產與商業化作出進一步的貢獻。」
關鍵字
有機太陽能電池、半導體、光學
參考資料
【1】http://news.unist.ac.kr/introducing-high-performance-non-fullerene-organic-solar-cells/
【2】Shanshan Chen, Sang Myeon Lee, Jianqiu Xu, Jungho Lee, Kyu Cheol Lee, Tianyu Hou, Yankang Yang, Mingyu Jeong, Byongkyu Lee, Yongjoon Cho, Sungwoo Jung, Jiyeon Oh, Zhi-Guo Zhang, Chunfeng Zhang, Min Xiao, Yongfang Li, Changduk Yang.Ultrafast Channel II process induced by a 3-D texture with enhanced acceptor order ranges for high-performance non-fullerene polymer solar cells. Energy & Environmental Science, 2018; DOI: 10.1039/C8EE01546E
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